SISTEMA CONSTRUCTIVO MIXTO Introducción El término “Construcción Mixta” es aplicable tanto al caso de elementos estructurales compuestos de acero y hormigón en que ambos materiales trabajan conjuntamente, como a
sistemas estructurales que están compuestos de elementos de acero y elementos de hormigón que trabajan juntos para resistir las solicitaciones aplicadas a la estructura.
Ventajas El uso de construcción mixta tiene variadas ventajas sobre la construcción convencional en acero. Entre estas ventajas podemos mencionar: •
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Optimización del material: al complementar las ventajas del acero y el hormigón se consiguen estructuras que son más livianas, en que todo el material se está aprovechando. Mayores luces libres: la alta relación resistencia/peso del acero combinada con la rigidez adicional proporcionada por el hormigón permiten que para igual miembro estructural de acero, el elemento mixto permite cubrir mayores distancias que el elemento de acero u hormigón por separado. Mayor resistencia a la corrosión: el hormigón, en el caso de elementos estructurales consistentes en una sección de acero recubierta en hormigón, constituye una barrera adicional a la corrosión. Mayor resistencia a incendios: el hormigón actúa como barrera contra el fuego y/o como disipador de calor, proveyendo al elemento mixto de una mayor resistencia a altas temperaturas Rapidez de construcción: es posible avanzar con la estructura de acero sin necesidad de esperar por el curado del hormigón. Menor costo de construcción: es el resultado de la mayor rapidez de construcción, además del posible ahorro de moldajes y alzaprimas. Además, el uso de elementos de menor peralte permite reducir la altura entre pisos, con el consiguiente ahorro en elementos no estructurales y terminaciones.
Desventajas Existen también ciertas desventajas que deben mencionarse: •
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Conseguir que hormigón y acero trabajen en conjunto requiere normalmente del uso de conectores especiales y trabajo adicional al caso de la construcción convencional en acero u hormigón. Durante el proyecto, la resistencia despreciable a la tracción del hormigón agrega un grado de complejidad a la hora de determinar la rigidez de los elementos estructurales. Además, el efecto de fenómenos como la fluencia lenta o creep y la retracción del hormigón puede ser mayor que en el caso de estructuras de hormigón armado.
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Durante la construcción, es necesario combinar dos especialidades (construcción en hormigón y construcción en acero) trabajando al mismo tiempo, lo que complica la programación y ejecución de la obra.
Definición de acción compuesta La característica fundamental que define a la construcción mixta es la acción compuesta de los dos materiales. Esto quiere decir, en el caso de elementos mixtos, que ambos materiales responden como uno solo, y en el caso de sistemas estructurales, que elementos de hormigón y elementos de acero trabajan conjuntamente para resistir las solicitaciones. Para ilustrar este concepto consideremos las siguientes figuras. La figura de la izquierda representa una viga en que acero y hormigón actúan independientemente, es decir, no hay acción compuesta. Se puede ver que parte del hormigón no será aprovechado debido a que se encuentra en tracción, mientras que sólo la mitad de la sección de acero está en tracción, el esfuerzo para el que el acero es más eficiente. En contraste, la figura de la derecha muestra una viga en que sí hay acción compuesta. En este caso, todo el hormigón se encuentra en compresión y está, por tanto, siendo aprovechado, a la vez que la sección de acero se encuentra mayormente traccionada.
Mecanismos de la acción compuesta Para que ocurra acción compuesta es necesario que haya transferencia de esfuerzos entre el acero y el hormigón y viceversa. Los mecanismos típicos de transferencia son: •
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Adherencia: el vínculo por fricción o adhesión entre una superficie de acero y una de hormigón. Su resistencia es limitada. Trabazón: contacto mecánico, por ejemplo a través de insertos embebidos en el hormigón y soldados al acero. Es la solución cuando la adherencia no es suficiente.
Usos de la construcción mixta Puentes
La construcción de puentes fue la primera en comenzar a utilizar construcción mixta. Las figuras muestran cortes transversales de puentes, donde normalmente las secciones de acero en conjunto con la losa de hormigón se consideran como un solo elemento.
Edificios urbanos La construcción mixta se utiliza cada vez más en edificios urbanos, normalmente combinando elementos estructurales convencionales y mixtos. Los edificios de la derecha son ejemplos de utilización de columnas mixtas en edificaciones en altura, incluyendo el edificio más alto del mundo actualmente, Taipei 101, ubicado en Taiwán. En edificios urbanos es práctica común la utilización de losas de hormigón mixtas, donde el hormigón se coloca sobre una plancha de acero plegada, la que agrega rigidez al sistema de losas. En edificios de acero la losa va montada sobre vigas de acero las que también actúan en forma compuesta con la losa.
Tipos de construcción mixta La construcción mixta puede dividirse en dos tipos principales. El primer tipo consiste en la utilización de elementos mixtos hechos de acero y hormigón, en que ambos materiales responden como uno ante solicitaciones externas. En este caso, es necesario asegurar que las cargas pueden transferirse del acero al hormigón y viceversa. El segundo tipo corresponde a sistemas estructurales que combinan elementos estructurales de acero, de hormigón, e incluso mixtos, los que se conectan entre sí para resistir las solicitaciones sobre la estructura. En este caso, es necesario asegurar la transferencia de cargas entre los distintos elementos que conforman el sistema estructural.
Clasificación de los elementos de construcción mixta Los elementos mixtos pueden clasificarse de acuerdo a su configuración. Tenemos entonces: •
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Vigas de acero con losa colaborante: la viga de acero y la losa que esta soporta forman un solo elemento. Dependiendo de la aplicación, puede prescindirse de alzaprimas. La rigidez y resistencia del conjunto son mayores que las del perfil de acero solo, por lo que se pueden utilizar secciones más livianas. Losa de hormigón sobre plancha de acero plegada: como su nombre lo indica, la losa es vaciada sobre una plancha de acero plegada. Esta plancha hace las veces de moldaje y, además, puede permitir prescindir de alzaprimas. Perfiles de acero embebidos en hormigón: un perfil de acero o una plancha que está total o parcialmente rodeada de hormigón. Puede estar adherida o no adherida al hormigón circundante. El hormigón restringe el pandeo local del perfil de acero y provee protección contra el fuego.
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Perfiles tubulares de acero rellenos de hormigón: perfiles rectangulares, cuadrados o circulares que se rellenan con hormigón. No requieren moldajes y si bien no están recubiertos por el hormigón, el relleno les da una mayor resistencia al fuego al actuar como disipador del calor.
Los elementos mixtos además pueden clasificarse de acuerdo a su función . Podemos tener entonces: •
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Vigas mixtas: elementos que resisten principalmente flexión y corte. Normalmente se usan vigas con losa colaborante o perfiles de acero embebidos en hormigón. Columnas mixtas: elementos que resisten principalmente compresión o compresión y flexión combinadas. Normalmente se usan perfiles embebidos o rellenos con hormigón. Losas mixtas: elementos planos que resisten flexión debido a cargas perpendiculares al plano del elemento. Corresponden a losas sobre plancha de acero plegada. Arriostramientos mixtos: elementos diagonales que proveen resistencia a cargas laterales en la estructura y que trabajan bajo esfuerzo axial solamente. Ejemplos son los arriostramientos de pandeo restringido donde el núcleo de acero, en general una plancha de acero (núcleo) está rodeado de una camisa de hormigón, la que a su vez está contenida en un perfil tubular. La plancha de acero y el hormigón no están adheridos, de modo que este último restringe el pandeo de la plancha en compresión. El tubo exterior confina el hormigón para que pueda cumplir su función de restringir el pandeo del núcleo.
Ejemplos de construcción mixta Debido a la gran variedad posible de sistemas mixtos, solo vamos a mostrar algunos ejemplos, para luego concentrarnos en los elementos mixtos. Uno de los sistemas mixtos más comunes consiste en reemplazar las columnas de acero de un marco de momento por columnas mixtas, tanto embebidas como rellenas de hormigón. El resultado principal es la disminución del tamaño de las columnas, ya que la resistencia y rigidez aportadas por el hormigón permiten usar secciones más pequeñas. Además, el hormigón restringe el pandeo local de la sección de acero, permitiendo usar secciones más esbeltas, y provee una mejor resistencia al fuego, reduciendo la necesidad de medidas de protección adicionales. Recientemente ha concentrado gran interés el uso de marcos arriostrados con diagonales de pandeo restringido. Este tipo de sistemas permite usar la
capacidad de los arriostramientos tanto en tracción como en compresión. Debido a que el pandeo está restringido, los arriostramientos pueden ser sometidos a varios ciclos de deformación inelástica sin perder capacidad ni generar fracturas.
Otro sistema novedoso consiste en la utilización de vigas de acople mixtas entre muros de hormigón armado. La placa de acero embebida se hace cargo del corte, generalmente alto, que se genera en estos elementos cortos, mientras el hormigón armado toma la flexión. Los muros de hormigón acolpados presentan desplazamientos menores que iguales muros de hormigón actuando independientemente, conectados solo por la losa.
Estados límite Para la sección transversal A continuación vamos a profundizar en la caracterización de elementos mixtos a través de la presentación de los posibles estados límite o modos de falla. Para efectos de claridad, ilustraremos cada estado límite para el caso de viga con losa colaborante, haciendo notar cuando algo no sea aplicable a los otros tipos de elementos mixtos. Comencemos por estudiar los posibles estados límite para la sección transversal . Ellos son: •
Falla del hormigón en compresión
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Fluencia del acero en tracción
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Pérdida de acción compuesta entre acero y hormigón
La falla del hormigón en compresión ocurre cuando la tensión en la fibra extrema del hormigón alcanza la tensión de rotura en compresión, f’c, antes de que el perfil de acero haya experimentado fluencia significativa. Es una falla repentina en que trozos del hormigón son
expulsados del área de falla. La capacidad del elemento se ve reducida a la capacidad de la viga de acero. Este estado límite se presenta cuando el área de compresión del hormigón es reducida, de modo que la resultante de esa compresión es significativamente menor que la resultante de la tracción en el perfil de acero. En el caso de perfiles tubulares rellenos con hormigón, el hormigón en la cabeza de compresión no tiene adonde ir, ya que se encuentra limitado por la pared del perfil y el hormigón circundante, por lo que se puede tomar ventaja de una mayor capacidad de deformación a la hora de determinar el estado último de la sección, si la especificación en uso así lo permite.
Plastificación del acero. Este estado límite se presenta cuando una porción significativa del perfil de acero ha fluido antes de que el hormigón alcance la tensión de rotura en compresión f’c. Este estado límite ocurre cuando hay un área de compresión significativa, de modo que casi todo el perfil de acero está en tracción.
Pérdida de acción compuesta. El tercer estado límite de la sección transversal ocurre cuando la capacidad de transferir corte en la interfaz entre acero y hormigón es menor a la resultante de la compresión en el hormigón o la resultante de las tensiones en el perfil de acero. Cuando esto ocurre se produce un deslizamiento en dicha interfaz y se pierde la acción compuesta, con lo que ambos materiales comienzan a actuar por separado, lo que redunda en una pérdida significativa de capacidad. Se habla de acción compuesta completa si los elementos encargados de transferir esfuerzos entre el hormigón y el acero están diseñados para resistir la plastificación de la sección. Se habla de acción compuesta incompleta cuando se permite el deslizamiento entre hormigón y acero para un nivel de carga inferior a la plastificación de la sección compuesta.
Para el elemento Considerando el elemento completo, tenemos estados límite a nivel de resistencia (últimos) y estados límite a nivel de servicio. En cuanto a los estados límite de resistencia, a los ya vistos, asociados a la sección, es necesario agregar la inestabilidad global del elemento, ya sea en compresión (pandeo) o en flexión (volcamiento o pandeo lateral-torsional). Como estados límite de servicio se deben considerar la fisuración excesiva, la deformación excesiva y la vibración excesiva.
En el caso de la inestabilidad global , los elementos mixtos utilizados para resistir compresión son secciones llenas, cuya resistencia a la torsión es significativamente mayor que la de perfiles I de acero comúnmente utilizado como columnas en construcción convencional. Esto hace que el modo de pandeo dominante sea siempre el de flexión en torno a una de los ejes principales de la sección.
En el caso de elementos en flexión , la presencia de la losa conectada a la viga provee arriostramiento lateral continuo al ala superior bajo momento positivo. Si el alma es no esbelta, entonces es posible aprovechar la capacidad plástica completa de la sección. Si el alma es esbelta, es necesario considerar la posibilidad de pandeo del alma con el consiguiente volcamiento del ala inferior. Bajo momento negativo, salvo que se tomen precauciones especiales, la resistencia está dada por la resistencia de la viga de acero solamente, considerando todos los efectos de inestabilidad local y global.
Fisuración: En el hormigón armado, la fisuración es un componente normal y aceptable de su respuesta a las acciones estructurales. La restricción de la deformación por tracción a un nivel en el que se podría evitar dicha fisuración implicaría una utilización muy poco económica de la armadura de acero. La fisuración tiene un efecto potencial negativo sobre la durabilidad y la apariencia de los elementos de hormigón armado. Fisuras profundas pueden permitir la entrada de humedad en la armadura. En relación a la apariencia, la importancia de la fisuración estará obviamente relacionada a su visibilidad. La visibilidad de la fisuración variará dependiendo de factores como, por ejemplo, la textura superficial del hormigón y la distancia con respecto a posibles observadores. Las fisuras en las superficies expuestas pueden verse destacadas por acumulaciones de suciedad o por la lixiviación de materiales, con lo que fisuras muy pequeñas pueden llegar a ser visualmente molestas. El ancho de la fisura variará con las acciones estructurales. Los anchos de las fisuras resultantes de cargas transitorias particularmente pesadas no son significativas en lo que a la durabilidad se refiere; más bien es el efecto de cargas persistentes (o “casi permanentes”) lo que es relevante en este sentido. Un objetivo general para controlar las fisuras es obtener una fisuración distribuida. Es preferible tener un gran número de fisuras pequeñas que un pequeño número de fisuras anchas. Para lograr este objetivo se establecen armaduras mínimas que se mantengan elásticas a nivel de servicio cuando ocurre la fisuración, así como diámetros y espaciamientos límite para prevenir la formación de fisuras anchas. En general, el problema de fisuración del hormigón en tracción será solo de importancia en el caso de vigas embebidas en hormigón y vigas con losa colaborante en zonas de momento negativo. En estos casos, el efecto de la presencia del perfil de acero no es considerado.
El estado límite de deformación de servicio se alcanza cuando una deformación alcanza un límite determinado por: •
Idoneidad para el uso que se le pretende dar.
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Daños a componentes no estructurales.
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Deformación de la estructura o componentes más allá de los límites de aceptabilidad, por ejemplo, resultante en el estancamiento del agua lluvia o en un estética inaceptable. Otras formas posibles de incapacidad de servicio.
Las deformaciones de elementos mixtos no pueden obtenerse con un sencillo modelo elástico debido a factores que incluyen: •
la variación en la rigidez de elementos, debido a fisuración y variaciones en las áreas de acero de armadura
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la variación, a lo largo del tiempo, del Módulo de Young para el hormigón
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El método constructivo utilizado, es decir, si los elementos son apuntalados o no
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la retracción y fluencia lenta del hormigón, que afectan las deformaciones a largo plazo del elemento el deslizamiento del plano de unión acero-hormigón, si la acción compuesta es incompleta el desfase de cortante, es decir la no uniformidad de las tensiones a una altura determinada
Vibración excesiva. A pesar de la variedad de parámetros que tienen una influencia sobre las deformaciones, es posible estimar su magnitud utilizando medios relativamente sencillos. En el cálculo de deformaciones en edificios, normalmente bastará con considerar las deformaciones bajo combinaciones típicas de carga y asumir que esta carga es de larga duración. El uso de elementos de menor tamaño que permite la construcción mixta puede llevar a que elementos como losas o vigas mixtas estén más expuestos a vibraciones excesivas por el desarrollo de actividades dentro de la estructura. Estas vibraciones pueden estar limitadas por: •
la incomodidad de los usuarios
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posible daño a elementos no estructurales
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Equipos que requieran bajos niveles de vibración para su correcto funcionamiento
El parámetro comúnmente asociado con este efecto es la frecuencia natural de la losa o de las vigas, fr. Hay un límite inferior de 4 Hz (ciclos por segundo) comúnmente aceptado como la frecuencia natural mínima de cada viga de forjado. La masa de la losa se toma como su propio peso y el de la cubierta y los acabados, más el 10% de la carga viva. Las particiones, que aumentan el amortiguamiento de la estructura, no se incluyen. La frecuencia natural fr puede determinarse aplicando la fórmula que se indica, donde delta es la deformación instantánea (mm) resultante del propio peso de la losa (incluyendo las cargas
adicionales anteriormente referenciadas). Puede incluirse una reducción del 10% en la flecha para tener en cuenta la mayor rigidez dinámica de la viga mixta. En la práctica, la masa de la estructura de la losa es tal que el esfuerzo excitador es demasiado pequeño en comparación, por lo que la respuesta de la estructura es correspondientemente pequeña. En muchas circunstancias puede demostrarse que la frecuencia natural de la estructura de losa (vigas primarias y secundarias y losa mixta) podría reducirse a 3 Hz.
Aspectos relevantes del estado límite El módulo de elasticidad del acero es aproximadamente constante e igual a 200.000 MPa (megapascales). Para aceros estructurales exhibe un rango elástico claramente definido seguido de una meseta de fluencia. El hormigón es un material no lineal e inelástico. No muestra un valor único o constante del módulo de elasticidad y sufre una deformación permanente cuando se retira la carga. Cuando se somete a una tensión constante, la deformación unitaria del hormigón aumenta con el tiempo -un fenómeno conocido como fluencia lenta. También está sujeto a cambios de volumen causados por la retracción (o hinchazón) y por cambios de temperatura. A pesar de esto, es necesario poder cuantificar la relación entre la tensión y la deformación unitaria para poder obtener una estimación realista de las deformaciones. La figura muestra varias posible definiciones de módulos elásticos: módulo tangente inicial; módulo tangente a un nivel determinado de tensión; y módulo secante. La mayoría de ellos dependen del nivel de tensión de referencia. El valor utilizado en los códigos de cálculo es en general un módulo secante correspondiente a una tasa específica de carga. Experimentalmente se ha observado que este módulo de elasticidad depende de la densidad y resistencia a la compresión del hormigón. Como esta última varía a lo largo del tiempo, el módulo de elasticidad no se mantiene constante.
Momento de inercia. A la hora de definir las propiedades geométricas de la sección compuesta, la opción más generalizada es utilizar una sección transformada de acero, en que el ancho del área de hormigón es reducido por la relación modular entre acero y hormigón, n. Dependiendo de los esfuerzos sobre la sección es necesario además definir si la sección está fisurada o no. Estos cálculos se complican porque en general los esfuerzos varían a lo largo del elemento y la relación modular varía con el tiempo.
Ancho efectivo. Tanto en la determinación de la capacidad del hormigón a compresión como en la definición de la rigidez de la sección es fundamental definir correctamente el área comprimida. En el caso de vigas con losa colaborante es necesario definir en forma adecuada el ancho de losa que colabora a la resistencia de la sección. La figura muestra la distribución de tensiones en la losa sobre una viga de acero en flexión. Esta distribución no uniforme (también conocida como desfase de corte) parte de un máximo en la zona de conexión de la losa a la viga y disminuye gradualmente al alejarse de esta zona. Para efectos de diseño se considera un ancho efectivo sobre el que actúa una tensión uniforme cuyo efecto se asimila al de la verdadera distribución de tensiones sobre todo el ancho.
La fluencia lenta o creep es el aumento de deformación que tiene lugar, a lo largo del tiempo, bajo la acción de una tensión permanente. En el momento de descarga, la recuperación no es instantánea ni completa, sino que comprende una porción instantánea, seguida, a lo largo de un período de tiempo, de una recuperación diferida, al final de la cual queda una deformación residual. En el hormigón hecho con áridos de peso normal, la fluencia tiene lugar en la pasta endurecida de cemento y su efecto es resistido por los áridos. Los factores que afectan a la fluencia son: •
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la composición del hormigón la tasa de endurecimiento del hormigón
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las dimensiones del elemento
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la humedad ambiente
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la temperatura ambiente
La magnitud de las deformaciones por fluencia lenta también se ve afectada por la edad del elemento en el momento de su carga, la duración de aplicación de la carga y el nivel de tensión. Además de la deformación adicional, la fluencia lenta también produce una redistribución de las tensiones en la sección compuesta, lo que puede llevar a una sobrecarga del perfil de acero. La mayoría de las especificaciones recomienda reducir el módulo de elasticidad instantáneo del hormigón por un factor para estimar las deformaciones a largo plazo producidas por las cargas sostenidas. El efecto de fluencia lenta es generalmente de poca consideración en el caso de edificios. Sin embargo, puede ser de gran importancia en el caso de puentes o elementos con un área de hormigón significativa.
La retracción es el acortamiento que ocurre en el hormigón independientemente de los efectos de la carga externa o de cambios en la temperatura ambiente - mientras está teniendo lugar su endurecimiento. Se genera debido a la evaporación y absorción de agua durante el fraguado del hormigón. Como muestra la figura, la retracción del hormigón genera un momento flector positivo en la viga mixta, debido a que el hormigón de la losa quiere acortarse. Este momento adicional tiende en general a aumentar las deformaciones de la viga. El efecto de la retracción será más importante mientras más esbelto sea el elemento, como es el caso de vigas mixtas en puentes.
El método constructivo afecta la distribución de tensiones y la deformación de los elementos mixtos. La figura muestra el comportamiento cargadeformación de una viga mixta para el caso apuntalado, no apuntalado y para el caso de una viga sin acción compuesta. En el caso sin acción compuesta (sección de acero), el hormigón y el acero resisten por separado parte de la carga, sin continuidad de deformaciones a través de la interfaz entre los dos materiales. La carga puede aumentarse hasta que se genera la rotura del hormigón en compresión y la plastificación de la sección de acero (si es que la inestabilidad no controla la capacidad). Parte significativa de la sección, incluyendo el hormigón en tracción y el acero cerca de la línea neutra del perfil, contribuye muy poco a la resistencia y la rigidez. En el caso sin apuntalar, la viga de acero debe inicialmente resistir el peso propio más el de la losa de hormigón. Una vez endurecido el hormigón, la sección compuesta toma el resto de las cargas muertas y las cargas vivas. La capacidad es mayor que la de la viga sin acción compuesta y las deformaciones menores una vez que el hormigón ha fraguado, debido a que una mayor parte de la sección aporta a la resistencia y la rigidez. Con el apuntalamiento, la viga de acero está soportada adicionalmente durante su construcción hasta que el hormigón haya alcanzado un porcentaje específico de su resistencia característica. El apuntalamiento asegura que la carga muerta del hormigón es sostenida por la sección mixta de mayor rigidez en lugar de por la sección de acero sola. La capacidad de la sección es la misma independiente del apuntalamiento, sin embargo las deformaciones son menores debido a que la sección que resiste las cargas muertas es mayor.
Referencias principales de diseño Las disposiciones de diseño que se entregan a continuación provienen de las especificaciones AISC del 2005, complementadas con recomendaciones de la ACI cuando corresponda. Cabe destacar que la ACI solo trata específicamente de elementos mixtos acero-hormigón en compresión y refiere a la AISC para el diseño de elementos en flexión.
Métodos Existen dos métodos para la determinación de la resistencia nominal. El primero de ellos consiste en la determinación de la capacidad plástica de la sección, considerando que toda la sección de acero se encuentra a la tensión de fluencia y usando el bloque rectangular de compresión del hormigón. Esta capacidad puede ser reducida de acuerdo a las condiciones de estabilidad del elemento. El segundo método consiste en considerar compatibilidad de deformaciones e imponer que la fibra extrema del hormigón se encuentra a la deformación de rotura. Este método es el tradicionalmente utilizado para elementos de hormigón armado de acuerdo a la ACI.
Limitaciones. Debido a limitaciones en la base experimental disponible, la AISC ha limitado la aplicación de sus disposiciones para elementos mixtos para los rangos de tensión de rotura en compresión del hormigón y tensión de fluencia del acero indicados.
Organización. La sección de diseño está organizada de acuerdo a los diferentes esfuerzos que debe resistir una sección compuesta, en el orden aquí indicado. •
Esfuerzo axial
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Flexión
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Flexión y esfuerzo axial
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Corte
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Conectores de corte
Esfuerzo axial. La AISC establece requisitos mínimos de densidad de acero, tanto estructural como de refuerzo para considerar la sección como compuesta. Si estos requisitos no se cumplen, la sección se considera simplemente como una sección de hormigón armado. Aquí se presentan los valores límite para el caso de perfiles embebidos en hormigón.
En el caso de perfiles tubulares rellenos con hormigón, además de la densidad de acero se limita la esbeltez del perfil tubular, de modo de prevenir la ocurrencia de pandeo local de las paredes del tubo de acero antes de obtener la capacidad de la sección.
En el caso de tracción debido a que la resistencia a la tracción del hormigón es despreciable, sólo se considera la contribución de los perfiles de acero y del acero de refuerzo. Los factores de reducción de la resistencia o de seguridad son los mismos utilizados para perfiles de acero.
En el caso de compresión se considera la posibilidad de inestabilidad global del elemento. Las expresiones son las mismas que para perfiles de acero, pero la carga de fluencia se reemplaza por la capacidad plástica de la sección en compresión P0. La comparación de estas ecuaciones con resultados experimentales muestra que la especificación es generalmente conservadora, pero que existe una mayor dispersión que en el caso de perfiles de acero. No se considera el efecto del pandeo local ya que se asegura que no ocurre o al menos no controla el diseño. El hormigón circundante, en el caso de perfiles embebidos, y las limitaciones de esbeltez, en el caso de perfiles rellenos, aseguran que el pandeo local no ocurrirá. Los factores de reducción de la resistencia y de seguridad son más conservadores que en el caso de elementos de acero para considerar la mayor variabilidad asociada a la resistencia del hormigón.
En el caso de perfiles embebidos , la capacidad plástica en compresión de la sección se calcula considerando que el perfil de acero y las armaduras de refuerzo están al nivel de tensión de fluencia y todo el hormigón se encuentra a 0.85 f’c. La carga de pandeo de Euler se determina usando una rigidez efectiva que usa solo parte de la rigidez del acero de refuerzo y un máximo de 30% de la rigidez del hormigón, para considerar efectos de largo plazo como fluencia lenta. A mayor cantidad de acero, menores serán estos ef ectos.
En el caso de perfiles rellenos , la capacidad plástica en compresión de la sección es similar al caso de perfiles embebidos, excepto que se permite tomar ventaja del mayor confinamiento del hormigón en el caso de perfiles circulares, aumentando la tensión de compresión máxima de 0.85 a 0.9 f’c. La rigidez efectiva que usa toda la rigidez del acero de refuerzo y una fracción de la rigidez del hormigón entre 60% y 90%, tomando en cuenta que los efectos de largo plazo tienen menos influencia en el caso de perfiles rellenos.
Requisitos en el caso de flexión , se establecen requisitos especiales solo para el caso de vigas con losa colaborante, los que están relacionados con la forma de la plancha plegada en el caso de losa mixta. Los valores límite corresponden al límite de los datos experimentales disponibles. Además, se requiere que la losa esté mecánicamente conectada a la viga, es decir, a través de conectores de corte. Cuando se utiliza la losa mixta, es posible instalar la plancha con los pliegues paralelos o perpendiculares al eje de la viga. En el primer caso, el bloque de hormigón se considera como una losa de espesor variable, mientras que en el segundo caso se debe despreciar el hormigón bajo el nivel superior de la plancha plegada.
Ancho colaborante en flexion. Para considerar el efecto del desfase de corte, es decir la no uniformidad de las tensiones a una misma altura en la losa, las disposiciones de la AISC utilizan el concepto de ancho colaborante, el cual está definido por los valores mostrados.
Resistecia nominal FLEXIÓN. El diseño de elementos mixtos en flexión es similar al de elementos de acero y utiliza los mismos factores de reducción de la resistencia y de seguridad. Para el caso de vigas con losa colaborante bajo momento positivo se distinguen dos casos: Si el alma es no esbelta, el volcamiento de la sección no controla el diseño debido a la presencia de la losa, la que, además, restringe el pandeo local del ala comprimida. Por lo tanto, la capacidad está dada por el momento plástico de la sección compuesta. •
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Si el alma es esbelta, a falta de suficientes datos se utiliza el momento de primera fluencia como capacidad de la sección. Para ello se considera una distribución lineal de tensiones en la sección transformada, la que debe tomar en cuenta el método constructivo, es decir si la viga será o no apuntalada.
En el caso de perfiles embebidos o rellenos con hormigón, el pandeo local está restringido por este último, así como la capacidad al volcamiento aumenta considerablemente. Es posible elegir entre tres opciones: •
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El momento de primera fluencia en el ala traccionada del perfil de acero, considerando la sección transformada y las condiciones de apuntalamiento de la viga. La capacidad última de la sección compuesta, determinada ya sea por el método de compatibilidad de formaciones o la capacidad plástica de la sección. El momento plástico del perfil de acero, despreciando la contribución del hormigón. Para ambos métodos se utiliza un factor de reducción de la resistencia o un factor de seguridad más conservador y se requiere que hormigón y acero estén mecánicamente conectados. El momento plástico del perfil de acero, despreciando la contribución del hormigón. La capacidad última de la sección compuesta, determinada ya sea por el método de compatibilidad de formaciones o la capacidad plástica de la sección.
Para ambos métodos se utiliza un factor de reducción de la resistencia o un factor de seguridad más conservador y se requiere que hormigón y acero estén mecánicamente conectados. La determinación de la capacidad del elemento mixto bajo solicitaciones combinadas de flexión y esfuerzo axial difiere un poco del caso de perfiles de acero. Es necesario verificar por separado la resistencia a la flexión y a la compresión. La resistencia a la flexión se determina usando el análisis de compatibilidad de deformaciones O la distribución de tensiones plásticas en la sección compuesta. La capacidad a compresión se determina con las ecuaciones presentadas anteriormente, pero utilizando como P0 la capacidad axial resultante del análisis por compatibilidad de deformaciones o plastificación de la sección compuesta.
Para la verificación de la resistencia al corte de la sección se considera, en el caso de perfiles embebidos o rellenos con hormigón, la resistencia provista por el perfil de acero más el acero de refuerzo transversal (si existe), o bien la resistencia del hormigón. En forma conservadora, no se permite superposición de ambas resistencias. En el caso de vigas con losa colaborante se considera conservadoramente solo la resistencia del perfil. En el caso de perfiles embebidos o rellenos con hormigón cargados axialmente, para evitar sobrecargar ya sea el hormigón o el perfil de acero se requiere que los conectores de corte sean capaces de transferir la carga en proporción a la capacidad aportada por el hormigón y el acero. Los conectores deben colocarse en una distancia de a lo menos 2.5 veces la altura de la sección hacia ambos lados del punto de aplicación de la carga. En el caso de vigas con losa colaborante bajo momento positivo la capacidad de transferencia de corte a través de la interfaz acero-hormigón está dada por la carga asociada a la plastificación de la sección de acero, a la plastificación del bloque de hormigón o a la capacidad de los conectores de corte. En el caso de vigas con losa colaborante bajo momento negativo la capacidad de transferencia de corte a través de la interfaz acero-hormigón está dada por la carga asociada a la plastificación del acero de refuerzo o la capacidad de los conectores de corte. La resistencia nominal de un conector va a estar controlada por la resistencia del material del conector y la unión conector-acero y por la resistencia del hormigón en contacto con el conector. La resistencia del conector es afectada por la disposición de los conectores de corte, lo que se refleja en los factores Rg y Rp. En el caso de perfiles embebidos o rellenos con hormigón, estos efectos no son de importancia y ambos factores son iguales a uno. En cambio en el caso de losas con viga colaborante, Rg y Rp tomarán distintos valores dependiendo de la disposición de la plancha y la ubicación de los conectores. Algunos ejemplos de estos valores se muestran en la figura. Al igual que en el caso de perfiles de acero, la AISC
no entrega recomendaciones para la verificación de estados límite no asociados a resistencia. En el comentario se entregan algunas expresiones para determinar las propiedades geométricas y módulo de elasticidad de las secciones compuestas.
