Capitulo 10 - Construccion Compuesta de Acero y Concreto

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  • Captulo 10 Construccin Compuesta de Acero y Concreto 10.1 GENERALIDADES Muchas veces las vigas de acero y las losas de concreto de un piso, se disean en base en que los dos materiales actan independientemente. Esta solucin se debe a que se supone que no hay suficiente adherencia entre la viga y el concreto como para asegurar una accin conjunta. Sin embargo, el desarrollo de la soldadura ha permitido el uso de conectores de corte, que se sueldan encima de la vigas, logrndose una unin adecuada entre los dos materiales, originando la llamada Construccin Compuesta de Acero y Concreto. En este Captulo slo se tratar el caso de vigas de acero con losas slidas sobre el ala superior de los perfiles para miembros en flexin, tal como se muestra en las figuras que siguen. Se presentarn las Especificaciones del Instituto Americano de la Construccin en Acero con el Mtodo de Diseo con Factores de Cargas y Resistencia AISC-LRFD para este tipo de construccin (5).

  • 10 - 2 DISEO ESTRUCTURAL EN ACERO LUIS F. ZAPATA BAGLIETTO Las Especificaciones AISC-LRFD, cuya primera versin es de 1986, se basa en la filosofa de diseo que plantea que las solicitaciones factorizadas, en la combinacin ms crtica, no excedan la resistencia de diseo de los miembros de acero; aparecern, entonces, en el desarrollo de este tema, los criterios que rigen los estados lmites y que sirven de comparacin entre los efectos de las cargas sobre la construccin compuesta y la resistencia de la misma para su seguridad (5). Hay casos en que las losas de concreto se vacian sobre planchas onduladas o plegadas de acero (para no usar encofrado de tablas de madera) como se observa en las figuras anteriores. Las ondulaciones pueden ser paralelas o perpendiculares a las vigas. Cuando son paralelas, el comportamiento de la construccin compuesta es el de una viga de acero con una losa de espesor variable; en cambio, en los casos en que las ondulaciones son perpendiculares, se requiere un tratamiento especial. Retornando al nico caso que se trata en este Captulo, que es el de la viga de acero con losa de concreto armado de espesor constante en la parte superior, slida, sta ltima se apoya en las vigas, es continua y tiene, frecuentemente, luces de 1.50 m a 4.00 m entre vigas paralelas. En construccin compuesta no es posible aplicar la teora simple de vigas ya que se trata de dos materiales distintos. Por ello es conveniente, como en el caso de vigas de concreto armado de seccin T, suponer un "ancho equivalente" en vez del ancho real de la seccin, y en este caso, asimismo, una relacin de mdulos de elasticidad n entre el acero y el concreto, de tal modo que la teora de vigas mencionada pueda aplicarse para la denominada "seccin transformada". Tambin se aprecia la importancia de usar los conectores de corte con tamaos y en nmero suficiente como para asegurar que la unin entre el concreto y el acero no se pierda.

  • 10.1 GENERALIDADES 10 - 3 Antes de proseguir se insistir en la explicacin de la "accin compuesta" que se espera en este tipo de construccin y el llamado ancho efectivo. En la Fig. 10.2a se observa el comportamiento de una seccin no compuesta. Se aprecia que la losa, actuando independientemente de la viga de acero, tiene su propia capacidad de tomar momento, lo mismo que el perfil de acero; cada uno de los materiales tiene su propio eje neutro. Hay deslizamiento en la superficie de contacto. En cambio en Fig. 10.2b, la seccin desarrolla la llamada accin compuesta. Como no hay deslizamiento entre ambos materiales se consigue que haya un slo eje neutro y el diagrama especial de esfuerzos que se aprecia. En otras palabras, la traccin T y compresin C que representan al momento resistente tienen un brazo de palanca amplio y de all las siguientes ventajas: - Reduccin en el peso de la viga de acero. - Vigas de acero de menor peralte. - Mayor rigidez en el piso. - Se puede desarrollar un claro mayor para un mismo perfil. Lo anterior induce a pensar que se tendr una economa para esta solucin, a pesar de la necesidad de los conectores de corte. Se puede mejorar an esta reduccin de costos con vigas hbridas manufacturadas con material en las alas con un punto de fluencia Fy mayor que el punto de fluencia Fyw del material del alma. Por otro lado, se debe indicar que existen dos construcciones compuestas, la que emplea puntales de apoyo durante la construccin del piso (con apuntalamiento), y la construccin que no apoya las vigas de acero durante el vaciado del piso (sin apuntalamiento). Ciertamente, en este ltimo caso, los esfuerzos de la carga muerta son resistidos por la viga de acero y luego, la seccin compuesta resistir los esfuerzos de la carga viva, a diferencia del primer tipo de construccin, en que la seccin compuesta ser la que toma todos los esfuerzos, sean de carga muerta o carga viva. Hay, en la construccin compuesta en general, una desventaja en las vigas continuas en la zona de momentos negativos, donde la traccin ocurre en la parte superior. En este caso, la losa rajada por la traccin no participa en la rigidez de la viga; sin embargo, en lo que se refiere a la resistencia, se puede resistir la traccin en la parte superior, con barras de acero corrugadas embebidas en el concreto tal como en el caso de concreto armado. Es prctica comn no hacer distingo en el momento de inercia entre las zonas de momento positivo y la de momentos negativos, suponindose una seccin de momento de inercia constante a lo largo de toda la viga.

  • 10 - 4 DISEO ESTRUCTURAL EN ACERO LUIS F. ZAPATA BAGLIETTO 10.2 ANCHO EFECTIVO COLABORANTE EN LA CONSTRUCCION COMPUESTA

    El concepto de "ancho efectivo" es til para aquellos casos en que se desea conocer la resistencia de una seccin donde la distribucin de esfuerzos no es uniforme como se aprecia en la figura anterior. Lo que se hace es suponer un ancho colaborante, con el mayor esfuerzo fc constante, para igualar la resistencia que se encierra dentro de la verdadera curva de esfuerzos. El ancho efectivo para el ala en compresin de una viga compuesta es: be = bf + 2b', donde dos veces fc.b'.ts es igual a la resistencia mencionada anteriormente. Las Especificaciones AISC-LRFD dan las expresiones prcticas para determinar el ancho efectivo be:

  • 10.2 ANCHO EFECTIVO COLABORANTE EN LA CONSTRUCCION COMPUESTA 10 - 5 a) Para una viga interior: be L/4 o be bo, el menor donde L luz o claro bo espaciamiento entre las vigas b) Para una viga exterior: be L/8 o be 0.5 bo, el menor 10.3 MOMENTO NOMINAL RESISTENTE DE UNA SECCION COMPUESTA La resistencia nominal de una seccin compuesta que tenga su losa en compresin ( momento positivo ) depende de: - Esfuerzo de fluencia del perfil de acero, Fy - Las relaciones ancho-espesor de los elementos constituyentes de la seccin de acero, - La resistencia del concreto, f 'c - La resistencia de los conectores para transferir el esfuerzo de corte en la superficie de

    contacto entre la losa y el ala superior del perfil, Qn. Es posible determinar la resistencia nominal de una seccin compuesta, Mn, cuya losa de concreto se encuentra en compresin, es decir con momento positivo, pero tomando en cuenta dos categoras que, segn LRFD-I3.2, dependen de la relacin hc/tw, para evitar la posibilidad del pandeo local del alma del perfil en compresin, as: 1. Cuando hc/tw 640/ Fy : (donde Fy est en ksi): Mn se obtiene por la distribucin de esfuerzos plsticos en la seccin. En este caso se

    puede llegar hasta Fy en el alma. 2. Cuando hc/tw 640/ Fy : (donde Fy est en ksi): Mn se obtiene por distribucin elstica de esfuerzos en la seccin, considerando la

    superposicin de esfuerzos. Se limitan los esfuerzos en el alma para evitar pandeo local. En este texto se tratar la primera categora, es decir de aquellas secciones que cumplen la relacin hc/tw 640/ Fy

  • 10 - 6 DISEO ESTRUCTURAL EN ACERO LUIS F. ZAPATA BAGLIETTO El momento nominal, Mn, se encontrar aceptando una distribucin plstica en los esfuerzos, f 'c para el concreto y Fy para el acero. Pueden presentarse dos casos : Caso 1: Eje Neutro en el concreto: Caso ms comn. C = 0.85 f 'c a be y T = As Fy Igualando ambos:

    a = b f 0.85

    F Aec

    ys

    De acuerdo al ACI: x = a / 0.85 f 'c para f 'c 280 kg/cm2 por lo tanto de la figura del Caso 1: Mn = C d1 Es frecuente que la losa resista una fuerza igual o superior a la del perfil de acero. En este caso, se puede expresar : Mn = As Fy ( d/2 + ts - a/2 ) () Entonces, el procedimiento usual es el siguiente: Se supone un valor para a menor que ts. Si C excede T, significa que el eje neutro de la seccin se encuentra dentro de la losa por lo que se puede usar () para determinar Mn.

  • 10.3 MOMENTO NOMINAL RESISTENTE DE UNA SECCION COMPUESTA 10 - 7 Caso 2: Eje neutro en el perfil de acero: En este caso la compresin en el concreto ser: Cc = 0.85 f 'c be ts La compresin en el acero es Cs. La traccin en el perfil de acero tendr que ser: T ' = Cs + Cc. Tambin T ' = As Fy - Cs. Combinando ambas expresiones y despejando Cs:

    Cs = 21

    ( As Fy - Cc ) Cs = 21

    ( As Fy - 0.85 f 'c be ts)

    El Momento nominal resistente ser: Mn = Cc d' + Cs d", siendo d' y d" los brazos que se muestran en la figura. En este caso se ve la necesidad de limitar la relacin hc/tw p 1, para evitar pandeo del alma por la accin de la compresin. Sin embargo no es necesario limitar bf/2tf ya que el concreto y los conectores de corte impiden el pandeo local del ala en compresin. Tampoco hay problemas de pandeo lateral-torsional en construccin compuesta gracias al soporte lateral que proporciona la losa de concreto. EJEMPLO 10.1 Determinar la resistencia de diseo de la vigueta interior de piso mostra