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Informe:

Desarrollos recientes en construccin mixta en los Estados Unidos de NorteamricaPor Roberto T. Len1, 2

Este trabajo presenta una visin general de los cambios propuestos a las disposiciones de la especificacin AISC 2005 (American Institute of Steel Construccin) sobre diseo de estructuras con elementos mixtos. El cambio principal en lo que respecta al diseo de elementos estructurales se refiere a la forma en que se maneja el diseo de columnas mixtas. Las nuevas disposiciones ofrecern una transicin menos complicada entre el diseo de columnas compuestas y las columnas de concreto armado, y un procedimiento ms racional sobre una base de mecnica estructural. En lo que respecta al detallamiento de los elementos estructurales, el principal cambio est en los valores de resistencia de los conectores de cortante, que se redujeron considerablemente en algunos casos. El trabajo presenta adems algunos desarrollos en curso en pisos compuestos y sistemas de resistencia a cargas laterales, y concluye con una breve descripcin de una cercha compuesta fuera de lo comn.

IntroduccinEn 2005 apareci una nueva versin de la norma americana de diseo en acero. Esa versin contiene cambios muy importantes en dos reas relacionadas con la construccin mixta: Un rea se refiere a columnas mixtas y vigas-columnas donde se ha modificado completamente el enfoque de la resistencia de la seccin transversal. La otra rea trata de los valores de resistencia de los conectores

de cortante usados en el diseo. En este trabajo se presentar primeramente una breve visin general de estos cambios, y luego se describirn algunos elementos innovadores y sistemas estructurales compuestos que estn despertando inters en los Estados Unidos.

Especificacin AISC 2005Durante los ltimos 17 aos, el American Institute of Steel Construccin ha apoya-

do dos especificaciones distintas: una que trata de los estados lmites ltimos de resistencia (AISC LRFD 2001), cuya primera edicin data del ao 1986, y la especificacin de tensiones admisibles (AISC ASD 1989), cuya ltima edicin es del ao 1989. A fin de racionalizar el proceso de diseo con un enfoque de clculo de resistencia ltima (a la rotura), la versin 2005 de esta especificacin contiene un conjunto doble de disposiciones.

1 2

School of Civil y Environmental Engineering, Georgia Institute of Technology Atlanta, GA 30332-0355, USA. El Dr. Roberto Len es actualmente profesor de la Escuela de Ingeniera Civil y Medioambiental del Georgia Institute of Technology. Sus intereses de investigacin se centran en el comportamiento dinmico y el diseo de estructuras con conexiones mixtas parcialmente restringidas, sistemas de entrepisos mixtos y ensayos de estructuras de tamao natural y modelos de laboratorio. Actualmente preside el Building Seismic Safety Council (BSSC) TS11 (Construccin Mixta en Acero y Concreto) y el American Institute of Steel Construccin (AISC) TC-5 Diseo Mixto. Tambin es miembro del AISC Specification Committee, del AISC Seismic Design Committee, the AISC Load, Analysis y Systems Committee, y del BSSC Provisions Update Committee.

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Uno de estos conjuntos de disposiciones se ajustar estrictamente al formato actual de clculo por Factores de Carga y Resistencia (LRFD) y el otro conjunto aplicar el enfoque de clculo por Esfuerzos Admisibles (de aqu en adelante, NUEVO ASD). El NUEVO ASD lleva un ttulo similar al actual de clculo por tensiones admisibles (de aqu en adelante, ANTIGUO ASD), pero no han de confundirse. En la Especificacin AISC 2005 se le dar una sola expresin a la resistencia nominal de un elemento o componente estructural y esta resistencia ser reducida con un factor de resistencia en el diseo LRFD o se dividir por un factor de seguridad en el NUEVO ASD. Todas las especificaciones AISC nuevas aplicarn este formato y el reformateo de la especificacin ssmica actual (AISC 2002) correspondiente est en vas de concluir. La Especificacin 2005 propuesta contiene importantes mejoras y agregados tcnicos en numerosas reas. Algunos de las modificaciones incluyen: La eliminacin de todas las disposiciones relacionadas con la carga de estructuras. Desde ahora estas disposiciones debern regirse por la versin ms reciente, la ASCE 7 (ASCE 2002). Una actualizacin de las especificaciones de los materiales, incluyendo la norma ASTM A992 de perfiles de acero de alta resistencia. Ungrannfasisenanlisisavanzado de estabilidad, basado principalmente en conceptos de carga. Adems de la especificacin principal, se complementa el diseo de estabilidad con tres Anexos: uno sobre anlisis inelstico; (es decir, anlisis plstico), uno sobre arriostramientos y uno sobre un mtodo de diseo directo simplificado. Se redujo la importancia de conceptos en desuso, tales como framing simple y el antiguo Tipo de Construccin 1 a 3. Consolidacin de las disposiciones de clculo a compresin (Captulo E revisado) y flexin (Captulo F revisado) que se encontraban dispersas en muchas otras partes de las especificaciones anteriores. Ellas incluyen las disposiciones de ngulos simples y perfiles estructurales tubulares (HSS) que se encontraban slo en especificaciones separadas. Un captulo nuevo dedicado exclusivamente a elementos solicitados por esfuerzo de corte. Uncaptulonuevosobreeldiseode las conexiones de elementos estructurales HSS.

Anexos sobre resistencia al fuego y evaluacin de estructuras existentes. La especificacin adems fue sometida a una completa reorganizacin para hacerla ms accesible. Por ltimo, en un esfuerzo por facilitar an ms el diseo, se agregaron Notas para el Usuario que contribuirn a la implementacin de las reglas de diseo en situaciones corrientes. Finalmente, se actualiz y ampli totalmente el Comentario que complementa la Especificacin. AISC considera esta Especificacin como un gran avance, en que la disponibilidad de herramientas de anlisis avanzado y la necesaria facilidad y transparencia de diseo se combinaron en muy buena forma. Se trat que la nueva especificacin permita hacer ms expedito el diseo de estructuras convencionales. Por otro lado servir tambin de gua para situaciones especiales y para que el diseador pueda aplicar sus propios criterios de funcionalidad.

5. 6. 7.

Anchos efectivos en vigas y viguetas exteriores. Diseo en regiones de momento negativo. Deformaciones lentas incluyendo fluencia y retraccin en elementos flexionales mixtos. Agrietamiento longitudinal en losas mixtas. Disposiciones para armaduras mixtas.

8. 9.

10. Aberturas en almas de elementos mixtos. 11. Especificacin de pandeo y fluencia durante la construccin. 12. Agrietamiento de losas y problemas relacionados. Los puntos 1 a 6 inclusive fueron solucionados con xito. El punto 7 fue cubierto en el captulo sobre funcionalidad, mientras que en el Comentario se alude brevemente al punto 8, ya que parece no ser un problema urgente en las losas de acero americanos. Se consider que los puntos 9 y 10 haban sido cubiertos por otras especificaciones y por lo tanto no fueron incorporados el nuevo Captulo I. Se consider que los puntos 11 y 12 eran asuntos de funcionalidad y figuraban en otra parte de la Especificacin. La siguiente es un resumen de las modificaciones introducidas en las tres reas principales (columnas mixtas, transferencia de esfuerzos y resistencia de los conectores de cortante).

Nuevas disposiciones para la construccin mixtaUno de los captulos de la Especificacin 2005 sometido a las modificaciones ms importantes es el Captulo I - Construccin Mixta. El nuevo Captulo I intenta resolver los defectos de las ediciones anteriores. Las disposiciones actuales de la Especificacin LRFD de diseo de elementos estructuras mixtos no han sufrido cambios bsicos desde su desarrollo original a fines de la dcada de los aos 1970 (Hansell et. al. 1978; Galambos y Ravindra 1976; Viest et. al. 1996). Las revisiones de 2005 tambin tratan de reflejar la intensa investigacin realizada durante las dos ltimas dcadas en el campo de las estructuras mixtas de acero y concreto como asimismo los asuntos prcticos que se fueron presentando a medida que las plantas con estructuras mixtas fueron aumentando sus luces y disminuyendo de peso. Entre otros se consideraron los temas siguientes: 1. 2. Uso de acero de alta resistencia y concreto en elementos mixtos. Nuevas ecuaciones de resistencia para columnas revestidas y columnas rellenas de concreto. La necesidad de resaltar la importancia de la transferencia de esfuerzos entre los elementos. Una revisin de la carga nominal de los conectores de cortante en la lmina de acero preformada (steel deck).

Columnas mixtasLas mayores modificaciones de esta seccin tienen el doble propsito de unificar el diseo de columnas mixtas segn la Especificacin AISC y la ACI 318-02 (ACI 2002) y de incrementar algunas limitaciones de las propiedades de los materiales que obstaculizan el uso de materiales de alta eficiencia en columnas mixtas. Actualmente tanto AISC como ACI ofrecen reglas de diseo de columnas mixtas. Las del ACI no han sido revisadas por muchos aos, considerndoselas como muy conservadoras. Lo mismo puede decirse de las disposiciones AISC LRDF de diseo de columnas mixtas, que datan de un trabajo realizado a mediados de los aos de la dcada de 1970 (SSRC3 TG20 1979). Las actuales disposiciones de AISC y ACI no concuerdan en lo que respecta a cmo calcular la resistencia transversal o cmo tratar los efectos del

3.

4.

3

Structural Stability Research Council.

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largo. Ms an, el ACI no aborda cmo se introducen los esfuerzos a las columnas; tampoco contempla el uso de elementos de concreto no reforzado. Esto les presenta importantes problemas a los ingenieros de diseo en Estados Unidos, donde abundan los marcos mixtos perimetrales en edificios altos en zonas con grandes cargas de viento. La Figura 1 muestra un edificio con un marco perimetral mixto parcialmente terminado, con una construccin de solo acero en los dos ltimos entrepisos (izq. superior de la foto), seguida por el moldeado de entrepisos mixtos (nivel siguiente) (entrepisos tercero a quinto bajo la parte superior), encofrado de las columnas mixtas (nivel siguiente), el moldeado de las columnas mixtas (nivel siguiente), y ms abajo, las columnas mixtas terminadas. En los tres entrepisos inmediatamente debajo de las que muestra la fotografa, se estn instalando los sistemas mecnicos y elctricos, seguidos por los elementos de fachada y las terminaciones interiores. Esta secuencia de construccin sumamente rpida es muy econmica en el caso de edificios altos de pisos mltiples en que trabajan simultneamente distintos especialistas en diferentes partes. En la etapa de construccin de estas estructuras se usan columnas de acero que soportan la mayor parte de la carga muerta del edificio, y stas se convierten en mixtas para resistir

Figura 1 Tpico marco perimetral mixto en construccin (Walter P. Moore y asociados)

las cargas laterales del viento cuando el edificio ya se encuentra en servicio. Esto representa un esquema estructural muy eficiente, especialmente cuando se usa concreto de alta resistencia a fin de incrementar la rigidez. La Figura 2 muestra los detalles de una columna mixta de este tipo en una zona de conexin. Aunque la columna lleva

incorporada un perfil pesado de acero para la ereccin, una vez que el concreto ya se est vaciando, la relacin de refuerzo (rea del perfil de acero/rea bruta de concreto) probablemente es baja (no es raro que sea de entre el 2% y el 3%). En el pasado, esto presentaba un problema para los diseadores, porque la Especificacin AISC requera un mnimo del 4% de refuerzo para que esta disposicin fuese

Figura 2 Vista en planta de una columna mixta y conectores del piso 19 del Norwest Center (Len 2000)Viga B2: W920 x 446 Barras Dywidag 35 M para transferir los esfuerzos de apoyo (B1 y B2) P4 (FBP) Jaula 2 14 barras 45M (crculo negro) y 6 barras 30M

Jaula de armadura 1 8 Barras de 45 m (crculo negro) y 6 barras 30M (todas las barras exteriores son de 45M)

P5

Conectores a ala de B2

Viga B1: W840 x 299

P3

P1 (FBP) Conectores a alma de B1 Jaula 3 7 Barras 45M (crculo negro) y 3 barras 30M (crculo blanco) Columna de W360 x 421 P2

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Tabla 1 Caractersticas de la base de datos usada para la calibracin de las nuevas provisiones para las columnas compuestasSRC Cols. Total N de test N de test para anlisis Mximo Fy (ksi) Mnimo Fy (ksi) Mximo fc (ksi) Mnimo fc (ksi) Mximo L/r Mximo ss Mnimo ss 108 78 72,7 32,4 9,5 1,8 467 12,9% 2,7% Beam-cols. 264 79 55 32,3 6,8 1,8 247 14,6% 2,7% 204 156 121 32,1 11,1 2,6 133 27,0% 5,5% Circular CFT Cols. Beam-cols. 184 92 70 27,5 9,77 2,94 67 46,6% 5,1% Cols. 100 55 120,8 36,9 14,94 3,68 91 30,9% 8,0% Rect. CFT Beam-cols. 303 40 70,3 36,8 14,94 4,18 91 24,9% 12,2%

aplicable. El ACI limita las disposiciones de diseo de columnas al 8% de acero, lo que es un problema para el otro extremo en el diseo, donde la envoltura es mnima (este es el caso cuando los ingenieros aplican el concreto ms como proteccin contra el fuego que por razones de rigidez). El problema era complicado en el caso de perfiles tubulares rellenados con concreto, cuando las disposiciones locales sobre pandeo exigan que el refuerzo mnimo fuera superior al 5%. Adems, las disposiciones sobre refuerzo transversal, continuidad de las barras verticales y las limitaciones del material eran distintas en cada uno de estos reglamentos. Por ltimo, existe evidencia substancial que las actuales disposiciones no cumplen con la confiabilidad buscada (Lundberg y Galambos 1993; Len y Aho 2000) y que existe una gran diferencia de diseo (El Tawil et. al. 1995). Un ingeniero con experiencia en estructuras de gran altura debera ser capaz de solucionar estas inconsistencias y llegar a una solucin satisfactoria, lo que no es aplicable en el caso de las aplicaciones comunes. El resultado es que se han usado muy poco las columnas mixtas en la construccin de poca altura, en las que se emplea aproximadamente el 90% de todo el acero. Esto incluso es el caso en que las especificaciones de diseo ssmico exigen rigidez lateral adicional. Propiedad que las columnas mixtas son capaces de ofrecer efectivamente. La Especificacin AISC 2005 aborda algunas de estas deficiencias minimizando as las diferencias con la ACI 2002. Especficamente: El lmite inferior de la relacin de refuerzo en las disposiciones AISC se redujo del 4% al 1%, que es el lmite inferior permitido por el ACI. Un mnimo del 0,4% deber venir de barras de refuerzo longitudinales continuas.

Ahora se dan menores relaciones de refuerzo tanto para tubos circulares como rectangulares rellenos con concreto, gracias a los criterios menos estrictos para el pandeo local. Para los aceros tpicos que se usan en los Estados Unidos (250 MPa o 36 ksi para tubos circulares, y 320 MPa o 46 ksi para tubos rectangulares), se aument el espesor de las paredes de 80,3 a 161 y de 43,5 a 56,7 de los tubos circulares y rectangulares, respectivamente. La resistencia transversal admitida por AISC puede ser calculada ahora con un enfoque de compatibilidad de deformacin que lleva a una superficie de interaccin viga-columna que es muy similar a las de una viga-columna de concreto armado. Tambin se puede calcular la resistencia transversal mediante el uso de los principios de diseo plstico, lo que lleva a una superficie de interaccin que es parecida a la aplicada a las columnas mixtas en el Eurocode 4 (Eurocode 1994; Roik y Bergman 1992). Elespaciamientomnimodelrefuerzo se reduce a fin de darle al concreto un efecto mnimo de confinamiento para asegurar que el rea confinada pueda alcanzar su resistencia ltima a la rotura y proporcionarle capacidad rotacional. El refuerzo transversal mnimo deber llegar a 0,009 in2 por pulgada de espacio entre amarras, lo que representa un aumento de casi el 30% sobre las disposiciones tan liberales de la Especificacin LRFD 1999. Se trata de que las disposiciones sean consistentes con las que habitualmente se usan en el diseo de concreto armado. El reciente estudio de Aho y Len (2000) no indica problema alguno para

el uso de combinaciones de materiales de alta resistencia. La Tabla 1 muestra algunos de los rangos de datos importantes encontrados en la base de datos que se us para los estudios de calibracin. No se encontraron efectos adversos en lo que respecta a resistencia, aunque la ductilidad puede ser menor en algunas combinaciones de materiales de alta resistencia. Los valores mximos que deben usarse en el clculo de las propiedades de resistencia fueron aumentados a 70 MPa (10 ksi) para el concreto y a 525 MPa (75 ksi) para el acero. LaEspecificacinestableceahoraen el Captulo I que se pueden usar ensayos y tests avanzados para justificar el uso de los materiales y los parmetros de esbeltez externa fuera del rango indicado. Aunque esto siempre fue posible segn las ediciones anteriores de la Especificacin mediante la aplicacin de una clusula genrica en las disposiciones generales, su confirmacin explcita en esta seccin tiene el propsito de incentivar la innovacin de diseo. La Figura 3 ilustra el nuevo enfoque del diseo de columnas mixtas. El diseo corriente comienza o con el clculo del diagrama de interaccin exacta o con uno simplificado basado en la seleccin de unos pocos puntos clave (Puntos A a E inclusive, vase Roik y Bergmann 1992). Luego se calcula el parmetro esbeltez de la columna, y segn ste se reduce la capacidad axial de la columna (Punto A). Luego se aplica el factor de resistencia (c) a este valor para llegar al diseo del punto de anclaje en el eje vertical (Ad). El punto de anclaje en el eje horizontal es dado por la capacidad flexional de la seccin (Punto D o Mp) multiplicado por un factor de resistencia adecuado (b).

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Para simplificar el diseo de viga-columnas en casos en que es necesario considerar los efectos de longitud, se sugiere ajustar el Punto B a la baja en c y a la izquierda en b a Bd y usar una aproximacin de una sencilla lnea recta entre este punto y el eje horizontal. Estas simplificaciones sirven para llegar a un diseo en que la reduccin de la carga axial por los efectos del largo produce aproximadamente los mismos resultados que cuando se usa la curva actual del diseo en acero segn AISC o el enfoque de estabilidad ACI (basado en un mnimo de excentricidad similar a los conceptos que aplica el Eurocode 4). La lnea vertical recta entre Bd y Dd sirve para obviar la necesidad de un factor de resistencia variable por debajo del punto de equilibrio (Punto C). El enfoque propuesto arriba permite evitar el uso de momento de diseo mayor que para flexin pura. Aunque existan capacidades mucho mayores que las de flexin pura (Punto D) para ciertas secciones transversales en caso de materiales de alta resistencia cerca del punto de equilibrio (Punto C), este incremento de capacidad es bastante sensible al valor de la carga axial. Se consider que ignorar este aumento era conservador para los diseos. El enfoque de la Especificacin AISC 2005 es menos riguroso desde el punto de vista de la mecnica estructural que el procedimiento propuesto por la versin final del Eurocode 4; sin embargo, en ambos procedimientos deberan asignarse similares valores nominales de diseo. Seguirn habiendo grandes diferencias debido al uso de un solo factor de resistencia en los cdigos norteamericanos y factores de seguridad parciales en el Eurocode. Aunque la Figura 3 no fue dibujada a escala alguna, se considera que las grandes diferencias entre la resistencia a la rotura (lnea llena) y los valores de diseo (lnea de rayas y puntos) que muestra se consideran tpicos de lo que se encuentra en el diseo. Esto se debe principalmente a la necesidad de tener que seleccionar un factor de resistencia relativamente bajo para responder por la gran dispersin en los resultados de los ensayos (Len y Aho 2000).

Figura 3P A A E Compatibilidad de deformaciones Rgido-plstico Clculo

Ad=cA B

c B

Bd

C

M dD D

rales. Mientas la Especificacin 2005 en lo principal solamente presenta algunas exigencias genricas en esta rea (principalmente, resistencia a la compresin), las disposiciones de diseo ssmico de estructuras mixtas (AISC 2002) siempre han puesto de relieve este aspecto del diseo. Un ejemplo es la conexin que muestra la Figura 2, que requiere un anlisis muy sofisticado de los mecanismos de transferencia de carga bajo una combinacin de acciones de corte axial, flexional y torsional. La Figura 4 muestra los mecanismos de transferencia de esfuerzos de una columna mixta conectada a vigas de acero, tal como es el caso de la Figura 2. Se supuso que estos mecanismos actan independientemente en ambos sentidos. La transferencia de esfuerzos es entonces una combinacin de: 1. La capacidad de transferencia de corte de la zona de panel de la columna (si existe) y la del alma de la viga de acero (si la viga es continua o soldada a la columna). La Figura 4(a) muestra este mecanismo En el caso de la conexin que muestra la Figura 2, tanto la zona de panel de la columna como la parte de las almas de vigas empotrados en la columna contribuyen a esta transferencia de esfuerzos. 2. La accin de reticulado del puntal de concreto bien confinado entre las alas de la columna, como lo muestra la Figura 4(b). Al igual que en el mecanismo anterior, puede suponerse que este ocurre tanto entre las alas de la columna como en las placas con recubrimiento (FBP4) en la cara de la

columna. Como la inclinacin de estos puntales vara, este mecanismo es ms efectivo si se mantiene una inclinacin de entre 35 y 45 grados. 3. La accin de reticulado por el concreto confinado por el refuerzo transversal, como lo muestra la Figura 4(c). El refuerzo vertical y horizontal que muestra la Figura 2 es capaz de resistir este mecanismo an en presencia de grandes cargas cclicas. Lo que no muestra la Figura 4, pero lo que contribuye a la transferencia de esfuerzos en la conexin en la Figura 2 es: 4. La transferencia de esfuerzos gracias al uso de conectores de cortante. Estos conectores de cortante se instalan a ambos lados del alma y en las alas de la viga perimetral de acero. Tambin van a ambos lados del alma de la columna de acero. 5. Apoyo adicional gracias a las aberturas en la viga que sirven para instalar el acero de confinamiento que actan en forma similar a un conector de corte Perfobond. 6. La transferencia de esfuerzos por adhesin mediante el uso de barras adicionales, soldadas al tope de las alas. En el caso de la conexin que muestra la Figura 2, se aplican barras Dywidag y debajo de la vigas perimetrales de acero, en una pequea rea cerca de las placas FBP para contribuir a la , transferencia de los esfuerzos de apoyo.

Mecanismos de transferencia de esfuerzosAdems de las grandes modificaciones del mtodo de clculo de la resistencia de columnas mixtas, las nuevas disposiciones ahora comienzan a asignar nfasis al mecanismo de transferencia de cargas entre los elementos estructu-

4

Por sus siglas en ingles: Face Bearing Plates (FBP).

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7. Se desarrollan esfuerzos de friccin entre las alas de viga y el concreto. Esta lista prueba que el mecanismo de transferencia de esfuerzos es muy complejo, sobre todo porque a los bajos niveles de momento que se observan durante la construccin, la contribucin de los mecanismos (4) y (7) es probablemente muy significativa. Se ha podido observar en los experimentos que los mecanismos (1), (2), (3) y (5) soportan al ltimo gran parte de las cargas.

Figura 4 Mecanismo de transferencia de esfuerzos entre vigas de acero y columnas mixtasVsn Vs df jh

df

jh (a) 0,75dwVcn jh 0,75dw FBP Vcn

Conectores de cortanteEn la mayora de los entrepisos mixtos que se disean actualmente, la resistencia a la rotura de la seccin mixta es gobernada por la resistencia del conector, en forma de accin mixta plena por lo que no necesita resistir las cargas factoriales. El valor de la resistencia nominal del conector (Qn) dado por la actual AISC LRFD es: [1] Asc = Ec = Fc = Fu = rea transversal del conector, in2 (mm2) mdulo de elasticidad del concreto, ksi (MPa) resistencia a la compresin especificada del concreto, ksi (MPa) mnima resistencia a la traccin especificada de un conector ksi (MPa)

jh (b) Vfn Vfn(d+d0)cn jh

Columna de acero

d+d0

jh (c)

Cuando se usa una losa de acero con nervios perpendiculares a la viga, la resistencia nominal de un conector deber corresponder al valor estipulado en la Ecuacin [1] multiplicado por el siguiente factor de reduccin: [2]

Si la losa de acero se usa con sus acanaladuras paralelas a la viga y el valor de (wr/hr) es inferior a 1.5, debe multiplicarse el valor de Qn por: [3]

destinada a ser una solucin de compromiso y tener una significativa variacin estadstica. Esta falta de conservatismo en las disposiciones LRFD ha sido reconocida en el reglamento canadiense (CAN/CSA-S161.94 1994), por ejemplo, en el uso de un factor de 0,8 en la Ecuacin [1], y por el uso de un factor parcial de seguridad an menor ( = 0,60) en las ecuaciones de resistencia de conectores en el Eurocode 4 (Eurocode 1994). Una serie de razones, incluyendo el argumento muy importante que alega la ausencia de datos a pie de obra (es decir, fallas o problemas) que pudieran demostrar que existe un problema, los reglamentos estadounidenses no han incorporado este factor en sus ecuaciones de diseo. El resultado neto es que los ensayos de vigas mixtas con interaccin parcial llegan frecuentemente a una resistencia nominal (Mp) basada en valores nominales de Fy y fc pero no en la Mp total de las propiedades reales del material y un factor de 1,0.

hr = Hs =

alto nominal de los nervios, in. (mm) la longitud del conector despus de soldado, in, no deber ser superior al valor (hr + 3) en los clculos, aunque su largo real puede ser mucho mayor el nmero de conectores de cortante en un nervio en la interseccin de viga deber ser superior a tres en los clculos, aunque pueden instalarse ms de tres conectores de cortante ancho medio de un nervio o resalte de concreto, in (mm)

Nr =

wr =

Se ha considerado por algn tiempo que los valores de Qn de la Ecuacin [1] y modificados por las Ecuaciones [2] y [3] responsables del efecto de la geometra de la losa de acero, son superiores a los derivados ya sea de ensayos de empuje o de ensayos de viga a que fueron sometidos los conectores incrustados en modernas losas de acero (Easterling et. al. 1993, 2000; Kemp y Trinchero 1997). El problema de determinar las caractersticas de la resistencia de los conectores no es sencillo; hasta ahora la mejor propuesta identifica 20 parmetros y siete modalidades de fallas distintas de los conectores de cortante (Johnson y Yuan 1997), y es as como cualquier aproximacin que utilice una sola ecuacin est

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La razn principal de la falta de conservatismo en la actual propuesta LRFD es: 1) el proceso en dos etapas usado para desarrollar las disposiciones actuales; y 2) el uso de un solo factor para caracterizar las modalidades de falla con distribuciones variables de la resistencia nominal media. En el primer paso del desarrollo de las disposiciones actuales se abord la determinacin de la capacidad de resistencia de los conectores empotrados en probetas slidas de empuje (Ollgaard et. al. 1971). Este trabajo se constituy en la base de la ecuacin bsica de resistencia de conectores (Ecuacin [1]), y la validez de esta ecuacin ha permanecido indiscutida si se tiene en cuenta que: Fue desarrollada para concreto de baja o moderada resistencia a compresin (fc < 5 ksi), y que en los estudios se usaron solamente tres tipos de concreto liviano Representa un valor medio y no una cota inferior. Incorporalacontribucindefricciny adherencia adems de la resistencia al corte del conductor mismo. Esslovlidaparalosasslidas. El lmite superior de la Ecuacin [1] no era absolutamente obvio en los ensayos de Ollgaard et. al., y fue inferido sobre la base de comparaciones con otros datos de ensayos. Aunque un lmite superior de la resistencia al corte parece razonable, la seleccin de AscFu a lo ms es arbitraria. Granpartedelosdatossobreconcreto de peso normal cae al nivel dado por el lmite superior de AscFu, por lo que la expresin 0,5ascfcEc iest basada principalmente en datos de concreto liviano Se encontr una gran dispersin de datos en este estudio. El coeficiente de correlacin entre los datos de los ensayos de Ollgaard et. al. y la Ecuacin [1] lleg a un imponente 0,89 con una desviacin estndar de 4,5 ksi. Pero cuando la Ecuacin [1] fue comparada con los datos de otros investigadores, el coeficiente de correlacin cay a un 0,72 y la desviacin estndar aument a casi el doble llegando a 8,5 ksi. Esto ltimo indica que pueden encontrarse importantes variaciones de resistencia de conectores an en condiciones de ensayo rigurosamente controladas, y que el control de calidad puede ser un asunto a considerar. El segundo paso fue el trabajo de Grant et. al. (1977) quienes estudiaron 17 vigas mixtas en la Universidad Lehigh a fines de los aos de la dcada de 1960 y a

principio de los aos 70 para observar el efecto de la geometra de la losa de acero. De los resultados de estos ensayos en vigas y conjuntamente con los resultados de otros 58 ensayos provenientes de fuentes pblicas y privadas, Grant y sus colaboradores dedujeron el actual factor de reduccin de conectores. En losas de acero con nervios perpendiculares a la viga de acero (Ecuacin [2]). Es importante conocer las grandes limitaciones de los datos experimentales y los procedimientos usados por Grant et. al. Lamayoradelosconectoresdeeste estudio se colocaron en parejas (uno al lado del otro) y centrados en los nervios. Aunque en algunos ensayos se instal un solo conector en algunos nervios, por lo general se encontraban en combinacin con pares de conectores en nervios adyacentes. Por tal razn este conjunto de datos no pudo ser usado para obtener informacin confiable sobre la resistencia de un solo conector en un nervio, distribucin que corresponde a la configuracin moderna ms comn. Estepuntoesreforzadoporelhecho que la versin original de la Ecuacin [2], que aparentemente fue la que Grant y sus colaboradores usaron en la mayora de sus estudios, contena una constante 0,6 al frente de la ecuacin en lugar que el factor actual de 0,85/N, en que N es el nmero de conectores por nervio. Puesto que la mayor parte de los ensayos se efectuaron con dos conectores por nervio, este ltimo factor es 0,60. Por consiguiente, el procedimiento est en buena correlacin con los datos del ensayo, tanto en lo que respecta al factor original 0,6 como el factor 0,85/N. Sin embargo, como haba poca informacin sobre conectores nicos, la reformulacin de esta expresin llev a un incremento de ms del 40% (0,85/0,6) para conectores nicos. Laslosasusadasenesteestudioeran producidas en prensas dobladoras de chapas de acero y no en perfiladoras como las modernas losas que se es-

tn comercializando. La principal diferencia es que las losas empleadas en los ensayos de Lehigh, al igual que la mayora de las anteriores, no llevaban el rigidizador al medio del ala inferior de la losa, como las losas que se fabrican hoy en da a escala comercial. La falta de este rigidizador permita que en estos ensayos el conector se colocase al centro del nervio. El conector en las losas modernas fabricadas a escala comercial debe instalarse en una posicin descentrada, lo que lleva a las posiciones fuerte y dbil de los conectores, segn la cantidad de concreto frente al conector (Figura 5) (Easterling et. al. 1993). Engeneral,laresistenciaalaflexin de una viga mixta es relativamente insensible a la supuesta resistencia del conector. En otras palabras, suponiendo una resistencia del conector de cortante que vara en el 20% de la que propone la Especificacin, alterar la resistencia a la flexin en slo aproximadamente el 5% al 7%. Por consiguiente, el uso de los ensayos de flexin no pudo entregar un valor bien definido de la resistencia del conector. Porltimo,entodoslosensayosmenos dos, el lmite de elasticidad del acero de las alas fue superior a 55,4 ksi, y en un promedio de los restantes 15 ensayos fue de 64,3 ksi con una desviacin estndar de 4,2 ksi. No est claro qu efecto tuvieron estos valores relativamente altos en el proceso de calibrado. El desarrollo original de los actuales factores de resistencia de vigas mixtas con una losa de acero conformada se bas en 75 ensayos de vigas (Hansell et. al. 1978). Las ecuaciones de resistencia LRFD daban un promedio de 1,01 en el ensayo de resistencia pronosticada con un coeficiente de variacin de 0,08. Por lo tanto, un nmero substancial de ensayos estuvo por debajo de la resistencia pronosticada. Como 1) faltaban las resistencias de los conectores obtenidas en cada uno de los ensayos; 2) la mayora de los

Figura 5 Posicin fuerte y dbil del conector

Posicin fuerte

Posicin dbil

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ensayos indicaba el lmite de elasticidad del acero; y 3) se requera el uso de un solo factor de resistencia para que el diseo de vigas mixtas fuese substancialmente similar al de las vigas de acero, el proceso de calibracin arroj un solo factor de resistencia de 0,86 del ndice de fiabilidad de 3,0. Incluido en estos clculos est el hecho de que la relacin resistencia nominal versus real del acero fue de un 1,07 en todos los ensayos, pero no se trat de introducir la resistencia mucho ms variable de los conectores a los clculos. Por una combinacin de razones aducidos en la discusin de los resultados de Grant et. al. (Grant et. al. 1977), los ensayos modernos (Easterling et. al. 1993, 2000) tienden a indicar que en el diseo de la resistencia de los conectores deberan usarse valores ms bajos. La especificacin AISC LRFD 2000 comenz a tratar este asunto al incluir un factor de reduccin de 0,75 para conectores nicos. Los ensayos de empuje realizados por Easterling et. al. Como asimismo la revisin de toda la informacin disponible indican que esta reduccin debera aplicarse en todos los casos y que de hecho podra ser necesario aumentar el factor de reduccin (es decir, un valor de 0,6 a 0,65 debera ser una mejor cota inferior de los datos). Merece advertirse que el factor de reduccin ser aplicable a todos los entrepisos con losas de acero, con lo que se elimina el uso de las Ecuaciones [2] y [3]. La diferencia entre las resistencias de los conectores de los ensayos ms antiguos y los modernos puede deberse probable y principalmente a la contribucin del componente friccional y al efecto de la ubicacin de los conectores. Las metodologas actuales de ensayo no son aplicables a una cuantificacin de estos efectos. Sin embargo, se puede aducir que el componente de friccin probablemente es inferior en los ensayos de empuje que en los ensayos de vigas y que los efectos locales pueden ser ms severos en los primeros. En consecuencia, los ensayos de empuje en la posicin dbil probablemente constituyen una cota inferior en relacin a la resistencia real del conector y que el uso de un factor inferior a 0,75 no podra garantizarse por ahora. Pero sera prudente limitar la interaccin mnima al 50% en caso de requerirse una cierta ductilidad. Esto es as porque las solicitaciones a que estn sometidos los conectores individuales aumentan a medida que disminuye el grado de interaccin. Debe quedar claro que este nuevo factor de reduccin no implica que las estructuras diseadas en base a las ecuaciones existentes sean inseguras o que deban ser readaptadas. Dados los factores de

carga y resistencia usados, estos elementos estructurales llegarn a su resistencia de diseo a menos que la mayora de los conectores se encuentran en posicin dbil. Considrese un caso de acero 350 W530 x 66 con una losa de 75 mm y 83 mm, y peso de la losa de concreto con un fc = 28 MPa. De acuerdo a las disposiciones actuales necesitara treinta conectores de 19 mm por medio tramo para que esta seccin fuese absolutamente mixta. Sobre la base del factor de reduccin propuesto de 0,75 de capacidad de conector, la capacidad de la misma viga es de 665 kip-ft, o aproximadamente el 7,2% menos. Un examen de la reduccin de capacidad en toda la extensin de la interaccin demuestra que la reduccin llegar aproximadamente al 7% siempre que el eje neutro plstico se encuentre en todo el ala. Cuando se mueve el eje neutro plstico del ala al alma, los errores aumentan en algo ms del 8,5%, pero disminuyen al disminuir el grado de interaccin. Al mnimo de interaccin recomendado del 25%, el error es de aproximadamente el 6,4%. Estos rangos de error son tpicos de un amplio conjunto de casos de diseo calculados por el autor. Basado en las estadsticas arriba discutidas, estos errores no impactan grandemente en la fiabilidad de los procedimientos de diseo. Finalmente nos preguntamos cul es el motivo de estos cambios si no tenemos problemas de resistencia, (esto es, colapsos) en este campo. El autor piensa que existen al menos tres razones para esta aparente contradiccin. Primero, los actuales factores de carga proporcionan un amplio margen contra sobrecargas. Si se piensa que las tpicas sobrecargas de uso APT en edificios de oficinas estn en un rango de entre 10 a 15 psf, y que an considerando las reducciones de sobrecarga de uso, las sobrecargas de uso factorizadas en el diseo son al menos cuatro veces superiores, est claro que sera difcil si no imposible llegar al esfuerzo de agotamiento de la estructura. En segundo lugar, los elementos estructurales de los entrepisos son diseados como elementos unidireccionales simplemente apoyados, ignorando el gran potencial de redistribucin desde los extremos de las conexiones y los elementos estructurales perpendiculares (losas y vigas relleno). Por ltimo, el empotramiento horizontal en plano que entrega la losa de entrepiso y los conectores es ignorado en todos los diseos y tampoco ha sido incorporado en la mayora de los ensayos. En base al extenso trabajo de Easterling et. al., la proposicin de la Especificacin 2005 simplific las ecuaciones para el clculo de la resistencia de los conectores de cortante como sigue:

[I5-1] Asc = la superficie transversal del conector de cortante, in2 (mm2)

Emid-ht = distancia desde el borde del conector al alma de la losa de acero, en direccin al punto del momento nulo a media altura de la nervadura de la losa Fu = mnima resistencia a la traccin especificada de un conector de cortante, ksi (MPa) mdulo de elasticidad del concreto, ksi (MPa) para conectores soldados directamente al perfil de acero (es decir, no a travs del tablero de acero o lmina) y teniendo un detalle de refuerzo con no ms del 50% del ala superior cubierto por la losa o chapa de acero, tal como rellenos de vigas para conectores soldados a travs del tablero de acero o lmina como material de relleno de viga, e incluidos en una losa mixta con la losa en sentido paralelo a la viga en caso de conectores soldados en una losa mixta en que la losa est perpendicular a la viga y emid-ht 2 in (51 mm) para conectores soldados en una losa mixta con la losa perpendicular a la viga y emid-ht < 2 in (51 mm) para cualquier nmero de conectores soldados directamente al perfil de acero o a travs de la losa de acero, paralela al perfil de acero cuando se trata de un conector soldado en una nervadura de la losa de acero con la losa perpendicular al perfil de acero.

Ec = Rp = 1,0

0,7

0,5

Rg = 1,0

0,85 para dos conectores soldados en una nervadura de la losa de acero en que la losa est perpendicular al perfil de acero 0,7 tres o ms conectores soldados a una nervadura de la losa de acero en que la losa est perpendicular al perfil de acero

El modificador (Rd) para tener en cuenta el espesor de la losa, que formaba parte de la propuesta original, no fue includo en la versin final. Esta variable habra tenido un valor de 1,0 para conectores sol-

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dados directamente al perfil de acero o a travs del tablero de acero con el tablero paralelo al perfil de acero, o a travs del tablero de acero con el tablero orientado en direccin perpendicular al perfil de acero siempre que emid-ht 2 in (51 mm) en tableros con alturas de nervios de 2 in (51mm) y 3 in (76 mm) y en todos los casos de tableros con alturas de 1 in (25 mm) y 1 in (38 mm). En otros casos habra tenido un valor de 0,9 para tableros de acero de calibre 22; 1,0 para calibre 20; 1.05 para calibre 18 y 1,1 para calibre 16.

Figura 6 Falla de una viga reticulada mixta

Nuevos desarrollos en sistemas de entrepisos mixtosMientras en Europa continan muchas investigaciones sobre los llamados sistemas de entrepisos esbeltos tendientes a reducir las alturas de entrepiso-a-entrepiso, el inters en sistemas de entrepisos en los Estados Unidos contina centrado en proporcionar flexibilidad a los servicios de construccin (HVAC y sistemas elctricos/computacionales). Ello ha conducido a una creciente aplicacin de sistemas de viguetas mixtas (Figura 6). El trmino vigueta mixta en oposicin a viga reticulada compuesta se usa para destacar que existen elementos estructurales de produccin masiva, principalmente hechos con ngulos dobles delgados para cordones y ngulos simples doblados o varillas para elementos verticales y diagonales. Los fabricantes de viguetas mixtas han preparado ayudas de clculo y literatura, y estos sistemas han sido empleados en una gran variedad de aplicaciones. El potencial del mercado de este sistema es promisorio, por lo que sera conveniente preparar las correspondientes disposiciones de diseo accesibles para un pblico amplio. Aunque este tipo de sistemas patentados ya estn en uso desde hace tiempo en Estados Unidos (por ejemplo, el sistema Hambro D500), slo muy recientemente han sido propuestas disposiciones bastante completas pero sencillas para el diseo de viguetas y vigas reticuladas mixtas (ASCE 1996), que estn siendo estuadiadas para ser adoptadas por el Steel Joist Institute y ASCE. El diseo de un sistema de este tipo requiere que se preste mucha atencin al menos a 4 asuntos que se han hecho evidentes por su falla en ensayos de laboratorio, como lo ilustra la Figura 6: 1. La estabilidad durante la construccin, que controla principalmente el tamao del cordn superior. Se supone que este elemento est muy prximo al eje neutro cuando trabaja como

seccin mixta, por lo que se optimiza su tamao para las cargas de construccin. Al igual que en otros sistemas de viguetas, el arriostramiento de los elementos estructurales durante el montaje es otro asunto que requiere mucho cuidado. 2. Como los cordones superiores generalmente son muy delgados, es difcil mantener la relacin dimetro de conector/espesor del material base (especificada como un mximo de 2,5 en los reglamentos actuales). Para los casos en que esta proporcin supera 2,5 se sugiere una reduccin lineal de la capacidad del conector a cero a una razn de 4. La Figura 6 muestra evidencia de las grandes deformaciones de flexin en el cordn superior. 3. La estabilidad de las diagonales bajo compresin tiende a controlar el clculo de la resistencia a la rotura. Se aplic el criterio de la capacidad de diseo a fin de asegurar que en el cordn inferior en traccin ocurra una significativa fluencia antes que se pandeen estos elementos. Lo que rige por lo general es el pandeo flexionaltorsional, pero el problema es complicado por las condiciones de apoyo en el extremo de los ngulos doblados. 4. La gran flexibilidad de estos elementos requiere que se le preste mucha atencin tanto a las oscilaciones como a las vibraciones. Es difcil determinar

el momento de inercia efectivo de la seccin mixta y se recomienda aplicar 0,75 a 0,85 del momento de inercia del rea bruta. La Figura 7 muestra el momento vs deformacin de dos viguetas mixtas calculadas segn las recomendaciones ASCE de diseo (ASCE 1996). Las viguetas fueron diseadas para soportar las mismas cargas uniformemente distribudas que un W530 x 66 en un tramo de 11 m. La profundidad general de la vigueta fue de 530 mm, con una losa de 100 mm sobre una losa de acero de 50 mm. Los componentes del cordn inferior fueron 2L 102 x 102 x 5.3 y el momento de inercia de la seccin lleg al 80% del de la viga correspondiente. La vigueta pesaba 46 kg/m, aproximadamente 2/3 de una viga de acero similar. La Figura 7 muestra el excelente comportamiento dctil y estable frente a muy grandes deformaciones; de hecho, los ensayos fueron abandonados antes de alcanzar la resistencia a la rotura, puesto que se haba llegado al golpe de los actuadores de carga. Para otras aplicaciones, especialmente en entrepisos de grandes vanos (de 12 a 16 m) tales como estacionamientos de automviles y estructuras similares se estn proponiendo y ensayando algunos sistemas innovadores de construccin. El Sistema DiversaKore ilustrado en la Figura 8, ofrece una alternativa econmica para el entrepiso mixto tradicional al

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substituir (1) el tablero de acero y la losa de concreto por un encofrado de concreto hueco, premoldeado y pretensado con una cubierta de concreto llenada en obra, y (2) el perfil I de acero con un gran perfil hueco en U que sirve de apoyo al encofrado durante la construccin y despus se rellena con concreto para formar una elemento mixto. Los encofrados huecos premoldeados ofrecen la posibilidad de vanos muy grandes, lo que redunda en un sistema de entrepiso muy rgido que no es susceptible de deflexiones o vibraciones. Los elementos de acero se fabrican soldando perfiles sencillos (chapas y perfiles U, en este caso) y las alas del perfil en U llegan a constituir un resalte para los encofrados durante el moldeo. Una vez rellenos con concreto y vinculados a los encofrados, se tiene un sistema muy rgido y robusto (Figura 8). La seccin mixta tambin contribuye a resistir el corte en la vigueta mixta. Los perfiles U y la placa inferior vienen de taller y llegan a pie de obra cortados al largo del vano (Figura 9). Se le agregan flejes en la parte superior que contribuyen a mantener el perfil en U durante el proceso de construccin. El conjunto es apuntalado en aproximadamente 3 m sobre los centros hasta el trmino del curado de la losa. La chapa inferior de acero se convierte ahora en el principal elemento a traccin de la viga mixta. La losa superior y los encofrados premoldeados forman el ala de compresin. Se agrega armadura de acero en la medida de lo necesario en la seccin de concreto a fin de reforzarla y proporcionarle resistencia en condiciones de incendio. Existen numerosas variaciones posibles en lo que respecta a la seccin transversal de los perfiles en U y la placa que muestra la Figura 9. Por ejemplo, al agregar una placa vertical a la inferior, es posible incrementar la capacidad al corte y flexin de la seccin transversal. Los resultados experimentales de este sistema mostraron su excelente comportamiento tanto en lo que respecta a resistencia como a funcionalidad. La ltima falla ocurri por el cizallamiento de las nervaduras verticales en los encofrados huecos premoldeados (Figura 10).

a. Prticos Compuestos Parcialmente Arriostrados (C-PRF5). Los C-PRF son columnas de acero y vigas compuestas unidas por conexiones semirrgidas compuestas (Len y Zyonini 1992). Este es un sistema muy interesante desde el punto de vista ssmico porque la flexibilidad de las conexiones puede servir para ajustar el perodo natural de la estructura y reducir as la demanda ssmica. Las conexiones adems funcionan como fusibles porque son ms dbiles que las vigas y columnas. Por consiguiente, permiten usar un enfoque de clculo por de capacidad (Park y Paulay 1975). Sin embargo, esta flexibilidad podra tornar crtica la estabilidad (P-) de las estructuras. Al menos bajo un enfoque simplificado diseo de carga lateral equivalente. Por otro lado, la resistencia de la conexin, siendo predecible y acotada facilita, la prediccin de la estabilidad de cada uno de los elementos estructurales. b. Prticos Mixtos de Momento Comunes (C-OMF6). Los C-OMF incluyen diversas configuraciones en que se combinan vigas de acero o mixtas con elementos de acero y columnas mixtas o de concreto armado. Se conoce como prtico comn el que requiere menos detallamiento que el usado para estructuras crticas (Seismic Design Categories C, D y E en NEHRP7) de este tipo. c. Prticos de Momento Mixtos Especiales (C-SMF8). Los C-SMF se parecen a los C-OMF pero requieren un detallamiento mucho ms riguroso para lograr un comportamiento similar al de un SMF de acero. En este caso, las columnas si son mixtas, deben cumplir todos los requerimientos AISC en lo que respecta a la relacin ancho/espesor y altura/espesor y poseer la armadura transversal prescrita para columnas segn el Captulo 26 del ACI (ACI 2002). Como en la mayora de los prticos dctiles, las columnas y uniones debn desarrollar la resistencia total de las columnas, de modo que pueda desarrollarse un mecanismo fuerte y estable columnaviga dbil. El diseo de las conexiones obviamente es un elemento clave en este sistema, y recientemente han sido propuestas de detalladas disposiciones para un sistema que incorpora vigas de acero y columnas de

concreto (Deierlein et. al. 1989). La Figura 2 muestra una conexin tpica del edificio del Norwest Center, diseada en base a una extrapolacin de esta investigacin. Los C-SMF son muy eficientes en su capacidad sismorresistente como lo demuestra el sistema japons de acero-concreto armado (SRC) en que un esqueleto de acero completo es cubierto con jaulas de armadura que contienen grandes cantidades de armadura transversal. d. Prticos mixtos arriostrados concntricamente (C-CBF9). Los C-CBFs son parecidos a sus contrapartes de acero, aunque algunos elementos (vigas. columnas y arriostramientos) son mixtos. Se est discutiendo mucho sobre la aplicabilidad de prticos arriostrados en zonas de alta sismicidad, por la tendencia al pandeo de los arriostramientos, lo que trae consigo caractersticas de deficiente disipacin de energa, si la estructura se torna inelstica. Varios investigadores han propuesto el uso de arriostramientos mixtos para mitigar el problema del pandeo (mediante perfiles revestidos o tubos rellenados con concreto), en que el efecto de rigidizacin de concreto previene el pandeo local. En muchos casos se requiere la accin compuesta solamente al interior del arriostramiento, presentando un problema en las conexiones, puesto lo ideal sera que actuaran como partes de reticulados. En este caso se impone un cuidadoso detallamiento de los extremos del arriostramiento a fin de asegurar que el modo de falla sea la fluencia dctil en el elemento y no una fractura en la conexin. e. Prticos Mixtos Arriostrados Excntricamente (C-EBF10). Los C-EBF como bien lo dice su nombre, son anlogos al prtico arriostrado excntricamente comn, pero algunos de sus elementos son mixtos. Cuando se desarroll originalmente el concepto EBF suscit cierta preocupacin sobre la comportamiento de las vigas de entrepiso que de hecho son vigas mixtas, es decir, si eran capaces de contener las grandes ductilidades rotacionales del sistema sin causar fallas locales. Se han llevado a cabo extensas investigaciones en este campo; ellas indican que los elementos de entrepiso son capaces de resistir las grandes deformaciones de cortante

Nuevos desarrollos de sistemas mixtos bajo carga lateralLa 2 parte de AISC 2005 sobre Especificacin Ssmica contendr actualizaciones de diversos sistemas resistentes a cargas laterales. Las Disposiciones ssmicas presentarn detalles de:

5 6 7 8 9 10

Sigla en ingls: Composite Partially Restrained Frames. Por sus siglas en ingls: Composite Ordinary Moment Frames (C-OMF). National Earthquake Hazards Reduction Program (EE.UU.). Por sus siglas en ingls: Composite Special Moment Frames (C-SMF). Por sus siglas en ingls: Composite Concentrically Braced Frames (C-CBF). Por sus siglas en ingls: Composite Eccentrically Braced Frames (C-EBF).

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Figura 7 Momento vs. deflexin del eje central de dos viguetas mixtas bien diseadasMomento (kip-in) 7200 6400 5600 4800 4000 3200 2400 1600 800 0 0 1 2 3 4 5 Deflexin (in) 6 7 8 9 10

Figura 8 Vista general de la viga mixta DiversaKore

Cubierta de concreto

Encofrado hueco premoldeado Concreto u hormign armado Conectores

Perfiles U de acero Chapa de acero

Figura 9 Tpica seccin transversal del sistema Diversakore62 #3@12 Electrosoldada #4x30 @ 34 Lap 6 2 #3@8 amarras Conectores de 5/8 dim. x 5 de largo cada 8 3/4 chapa (A572) 20 Perfil C de chapa de 3,8 doblada (ASTM A572) TYP . 3/16 312 - Usar apuntalamiento transitorio durante la construccin - Usar concreto de alta resistencia inicial de 5000 Psi

6 lap

Figura 10 Falla local de la losa ahuecada

12

Spyrofoam (optativo)

3 TYP .

1/2, chapa x3 @40 O.C. (A572) Losa hueca de 8

#4 x 3'0 unin de cada encofrado a mitad de la altura.

8

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requeridas por uniones cortas (Ricles y Popov 1989). f. Muros de Concreto Reforzados con Elementos de Acero. Existen al menos tres variaciones posibles de este sistema y todos corresponden a casos de estructuras hbridas. La primera utiliza paneles de concreto como relleno de marcos de acero o mixtos. En la segunda se usan grandes perfiles de acero como elementos de contorno en muros de concreto en muros a cortante. La tercera es una en la que se usan vigas de acero o vigas mixtas premoldeadas para arriostrar los dos tabiques de corte a de concreto reforzado (Harries 1992, Shahrooz 1993). g. Paredes de corte Reforzados con Chapas de Acero. El concepto de usar chapas de acero como paredes de corte ha estado en auge desde el comienzo de la dcada de los aos 1980 (Thorburn et. al. 1983). Este concepto es muy similar al uso de vigas de alma llena en puentes, excepto que el elemento principal es vertical en lugar de horizontal. Estos sistemas han sido aplicados con bastante xito en reformas de estructuras crticas de acero (hospitales) en que el acceso a la estructura se encuentra seriamente restringido por la necesidad de mantenerlas funcionando durante la modificacin. El sistema bsicamente se comporta como un CBF en que la accin del campo en traccin asume las cargas laterales. Tambin se ha propuesto un sistema con mejor capacidad de disipacin de energa que consta de paredes de corte mixtas, en los que la chapa de acero est cubierta con concreto y la accin mixta es activada por conectores mecnicos. Otra variacin podra ser una configuracin de tipo sndwich, en que el espacio entre dos chapas delgadas de acero con conectores se rellena con concreto. Las chapas actan en este caso como encofrado que puede ser soldado directamente a un prtico de acero existente. La conexin de las chapas a los elementos del contorno requiere gran cuidado, puesto que el muro a cortante es un elemento estructural tan eficiente que es capaz de sobrecargar fcilmente las columnas y vigas adyacentes. Uno de los sistemas ms interesantes es uno que utiliza vigas de acero para acoplarlas a paredes de corte de concreto (CCW11), como lo muestra la Figura 11. Al acoplar los muros individualmente cambia el comportamiento estructural frenteRtulas plsticas

Figura 11

p p p=p Lwall L

L Lwall

Figura 12 Dao de una viga de acoplamiento con armadura diagonal

Figura 13 Detalles de una viga de concreto de acoplamiento con armadura diagonal914 A

A

254 127 95,3 N 6 (db=11,2) barras (arriba y abajo) N 2 (db=6,4) @ 76,2 o.c. 4 N 8 (db=25,4) N 3 (db=9,5) @ 76,2 o.c.

102 60,3 356

Seccin A-A

11

Por sus siglas en ingls: Concrete Shear Walls (CCW).

Ntese que si la viga no tiene gran altura, la armadura diagonal debe prolongarse a una longitud considerable fuera de la viga de acoplamiento. Los tamaos que se muestran corresponden a modelos a 1/2 escala

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a cargas laterales transformndose en uno en que los momentos de vuelco son resistidos en parte por un par de fuerzas de compresin y traccin de todo el sistema de tabique a lo que se agregan las acciones de flexin de cada tabique. Resulta entonces que los tabiques de corte de concreto representan una atractiva estructura resistente a cargas laterales, que proporciona un sistema extraordinariamente rgido sin requerir espacio horizontal o vertical valioso (Shahrooz et. al. 2005). El uso de vigas de acoplamiento de acero (Harries et. al. 1997; Shahrooz y Gong 1998; Shen y Kurama 2002) y mixtas (Gong y Shahrooz 2001a, b) ha sido identificado como una alternativa viable de los sistemas CCW monolticos de concreto (Shahrooz et. al. 1992 y 1993; Harries et. al. 1992, 1997). Varios proyectos de construccin han demostrado la aplicacin de vigas de acero y vigas hbridas de acoplamiento (Harries y Shahrooz 2004; Ferver et. al. 1974; Taranath 1998; Lehmkuhl 2002). Pero el detallamiento de las vigas de acoplamiento es un problema difcil. Como lo ilustra la Figura 11, los requerimientos de deformacin a corte pueden ser muy grandes, y todos los elementos de concreto han mostrado deterioros importantes bajo cargas cclicas. Esto puede producir daos como los que ilustra la Figura 12, que son difciles de reparar aunque un detallamiento especial genere reas diagonales bien confinadas (Figura 13). Tales elementos de hormign armado son eficientes tan slo con gran inclinacin de las diagonales, lo que exige elementos estructurales muy profundos. Entre las alternativas de este esquema est el uso de una viga de acero suficientemente empotrada (Figura 14) o una placa vertical de acero transformada en mixta con ayuda de conectores a cortante (Figura 15). Estas alternativas han sido estudiadas por Sharooz y colaboradores (2005) en la Universidad de Cincinnati con resultados iniciales muy promisorios.

Figura 14Largo de empotramiento

A

A Rigidizadores de 19 mm 775 914 775

FBP

25,4

305 Seccin A-A

25,4 127

Figura 15

A

A

775

914 254

775

Estructuras mixtas fuera de lo comnLa accin mixta puede ser una solucin muy eficiente para problemas de difcil diseo. El diseo del nuevo Estado Relaint de Houston fue diseado como una estructura con el techo retrctil ms grande del mundo, usndose eficientemente una accin mixta para aumentar la masa y rigidez de las dos vigas reticuladas principales del techo (Figura 16). Estas vigas de 305 m de largo tienen un vano central de 198 m con una altura que vara entre los 22 m en los apoyos a 15,3 m al centro. La parte superior de la viga se usa como carrilera del techo retrctil

#2 barras @ 76,2

#8 barras arriba y abajo

356

280 6,35

6,35 x 50,8 stud @ 229

Seccin A-A

y la losa mixta proporciona la masa y rigidez requeridas para resistir las grandes cargas laterales de vientos huracanados

y las grandes variaciones de carga gravitacional generadas por el movimiento del techo retrctil.

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tecnologa

ResumenSe presenta un breve resumen de una serie de modificaciones de las disposiciones norteamericanas de diseo mixto que han sido propuestas en el campo de columnas mixtas y resistencia de los conectores de corte. Adems se discuten sistemas innovadores de entrepiso y de resistencia a cargas ssmicas laterales.

Figura 16 Vigas reticuladas mixtas para el techo del Relian Stadium de Houston

AgradecimientosEl autor desea expresar sus agradecimientos al Dr. Bahram Shahrooz de la Universidad de Cincinnati y al Sr. Larry Griffis de Walter P Moore y Asociados, . por su ayuda para la presentacin de las dos ltimas secciones del trabajo.

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