a n c l a j e estructura l e n

c o n c r e t o p r e s f o r z a d o

y p r e f a b r i c a d o * THOMAS A. HANSON**

SINOPSIS

S e describen brevemente los principales tipos de conexiones para elementos de con- creto presforzado y prefabricado. Estos inclu- yen a conexiones por gravedad, conexiones soldadas, c o n e x i o n e s con pernos, conexio- nes postensadns, conexiones coladas en el sitio y conexiones con pasajuntas.

Los ejemplos de conexiones incluyen CO-

nexicnes de bases de columna, conexiones de vigas con columnas, conexiones de vigxs con trabes y conexiones de muros de carga.

Se enlistan algunas áreas que necesitan de mnyor investigación’ para desarrollar mejo- res procedimientos de diseño de conexiones.

Palabras clave: anclaje; vigas; muros de carga: conexiones con pernos: pernos; cone- xiones coladas en el sitio; columnas; co- nexiones: p a s a j u n t a s; trabes; postensado; concreto precolado; conc re to presforzado; diseño estructural; conexiones sddadas.

INTRODUCCION

El advenimiento del presfuerzo en los Es- tados Unidos estuvo acompañado por mu- chos desplegados públicos de la resistencia y elasticidad de la nueva clase de concreto. Los primeros puentes y edificios utilizaron un solo claro en el cual los elementos pres- forzados únicamente descansaban sobre los apoyos, con disposiciones para girar, ex- panderso y contraerse. Sin embargo, mucho

SUMMARY

T h e major types of connection for precast- prestressed concrete are described briefly. These include gravity connections, welded connections, bolted connections, post-tensio- ned connections, cast-in-place connections. and dowelled connections.

The connection examples include connec- ting column bases, connecting beams to co- lumns, c o n n e c t i n g beams to girders, and benring wall connections.

Ayeas rieeding further research to deve- lop better cmnection design procedures are listcd.

Key words: anchorage; beams; bearing walls; bolted connec tions; bolts; cas t -in-place con- nections; columns; connections; dowels; gir- ders; post-tensioning; precast concrete; pres- tressed concrete; structural design; welded connections.

antes se habían diseñado estructuras más so- fisticadas, en las cuales los marcos comple- tos se componían de elementos de concreto presforzado precolado. Como tales estructu- ras se llegaron a hacer más altas y más complejas, se desarrolló una necesidad de tener mayor conocimiento en los métodos de anclaje de los elementos con las cimen- taciones y muros, y con otros elementos.

Reconociendo esta necesidad, el Instituto del Concreto Presfonado de los Estados

Este artículo se presentó en el Simposio sobre Fijaciones Mecánicas para Concreto, patrocinado por el Ainerican Concrete Institute y Building Research Institute y se ha publicado en la Publicación Especial ACI 22. Se reproduce con permiso del American Concrete Inctitute.

*’: Thomas A. Hanson & Associates, Richmond, Va.: Miembro, TAC, PCI; Presidente, Comité PCI sobre De- talles de Conexiones: Miembro Comité ACI-ASCE 5 2 , Diseño y Ensamble de Concreto Estructural Premlado.

Revista INICYC, Vol. 8, NO 45, julio-agosto 1970 39

Unidos, organizó un comité, con el que es- cribe como presidente, para e s t u d i a r los detalles en uso y recopilar una serie de co- nexiones recomendadas para varias condi- ciones.

Sin embargo, debido a las cargas espe- ciales y a las condiciones de cada proyecto, los detalles se presentaron en forma esque- mática, para ser finalmente diseñados y di- bujados por un ingeniero estructurista. Lo que sigue son ejemplos pertinentes de co- nexiones de varios tipos que aparecen en

FACTORES PRINCIPALES QUE AFEC- el libro del PCI. TAN EL ANCLAJE

Para seleccionar los detalles estudiados CONEXIONES DE GRAVEDAD

1. Suficiencia estructural

2. Costos de fabricación y montaje

3. Tolerancias para colado y montaje

4. Mantenimiento bajo

5. Resistencia al fuego

se consideraron los siguientes factores: Las conexiones de gravedad son aquellas

en que un elemento únicamente descansa sobre su apoyo con poca o ninguna fijación física, como se muestra en la Fig. 1. Nor- malmente se usan cojines de carga flexibles para proporcionar una distribución unifsr- me de la carga y para permitir alguna ro- tación sin dañar los elementos. Una cone- xión del tipo de gravedad con frecuencia es mejor, ya que permite los pequeños mo- vimientos debidos a temperatura, contrac- ción y flujo plástico. Debido a su simplici- dad, la conexión de gravedad es económica en su fabricación y montaje.

Cuando se usan conexiones de gravedad, el proyectista debe tener cuidado de asegu-

FUNCIONES DE LOS CONECTORES

Las conexiones se organizaron primero de acuerdo con su función, y después por los métodos y dispositivos reales usados para hacer la conexión. Se eligieron cuatro fun- ciones distintas, como sigue:

1. Base de columna

2. Vigas con columna

3. Viga con trabe

4. Muro de carga

METODOS REPRESENTADOS

rar la estabilidad contra carga de viento, sísmica o de construcción. Para obtener es- ta estabilidad, se pueden usar otros tipos de conexiones en lugares apropiados, o los pisos horizontales o los diafragmas para te- chos pueden transmitir cargas laterales a muros de cortante.

Las losas de asiento para estadios se pue- den fijar a las vigas de soporte con cone- xiones de gravedad. A lo largo de los lados

Se representaron numerosos métodos de de las vigas coladas en el sitio, se pueden conexión incluyendo a los siguientes:

1. De gravedad

2. Soldado

3. Con pernos

4. Postensado

5. Colado en el sitio l l 6. Pasajuntas

En 1963, el Instituto del Concreto Pres- forzado publicó un libro de conexiones que contiene una amplia variedad de detalles ~ i ~ . Detalle típico de una por para muchas aplicaciones. gravedad.

40 Revista IMCYC, Vol. 8, NP 45, julio-agosto 1970

f ALL .

Fig. 2. Conexión de grave- dad: marcos tipo A apoya-

das sobre armaduras prefabricadas.

colocar bordes para soportar las losas. Des- pués que se colocan las losas, los extremos se inyectan con lechada para llenar la hol- gura de la tolerancia y prevenir movimien- tos futuros.

Las vigas radiales que se apoyan sobre un muro de un corazón circular se pueden fi.jar con conexiones de gravedad. En este caso, el anillo cerrado de las losas de techo mantiene la forma del diafragma del techo, y se puede colocar mampostería entre los ex- tremos de la viga que transmiten cargas la- terales dentro del muro de cortante circular. Las conexiones de gravedad también se

han usado donde los marcos en forma de A descansan sobre a r m a d u r a s presforzadas precoladas, como se muestra en la Fig. 2. Se anticipó que los elementos de techo en este proyecto fluirían plásticamente en un cierto período de años, con un movimiento

correspondiente externo en el punto de apoyo. Usando conexiones lubricadas del tipo de gravedad, las armaduras no estu- vieron sujetas a este coceo lateral. Se usa- ron pernos en agujeros ranurados para la estabilidad del montaje, y las cargas latera- les del techo se transmitieron al muro ex- tremo por medio de un diafragma de techo.

CONEXIONES SOLDADAS

Dependiendo de la localización de la sol- dadura, las conexiones soldadas pueden proporcionar extremos articulados, una res- tricción parcial o una continuidad total. En la Fig. 3, por ejemplo, se han hecho

soldaduras en la parte inferior de las vigas para permitir rotación de sus extremos. Aquí es particularmente importante que la

viga precolaya placa con anclaje r c o l a d a en la viga

ángulo con anclaje anclcje de la O do8 columna precolada soldado

laterales o placa plana

Fig. 3. Detalle de una CO- nexión soldada para es-

claro.

al

con estribos tructuras de un solo

Revista IMCYC, Vol. 8, NO 45, jiilio-agosto 1970 41

tensión axial en las vigas (debido a la con- tracción y al flujo plástico) se transmita horizontalmente a través de la conexión con el claro adyacente. L a s ligas inadecuadas horizontales sobre las placas soldadas de la viga pueden causar grietas verticales cerca de los extremos de la viga, dando como re- sultado una falla por cortante. Similarmen- te, el acero horizontal insuficiente a través de la parte superior de la columna puede causar deslizamiento vertical de la columna.

Generalmente es mejor hacer soldaduras en la parte superior de los elementos de techo. Tal conexih es como se muestra en la Fig. 4. Colocando los elementos en coji- nes de carga flexibles y omitiendo la inyec- ción de lechada entre los extremos, los ele- mentos están esencialmente libres de girar pivoteando alrededor de la parte superior, sin causar daños a la membrana del techo.

La continuidad total se puede alcanzar con una combinación de las soldadoras en la parte superior y lechada entre los extre- mos de la viga, como se muestra en la figu-

74- placa o ángulo

concreto coiads refuerzo superior 6

I 0 - 1 ,

Fig. 5. Detalle de una conexión soldada para elementos cmtinuos.

Fig. 4. Detalle de una co- nexión soldada para ele-

mentos de techo.

ra 5. Una conexión similar se puede hacer cuando una columna se extiende a través de la junta. El cortante entonces se trans- mite a la columna a través del acero o de ménsulas de concreto sobre la columna, o barras embebidas en la viga.

También la continuidad de la viga se pue- de alcanzar permitiendo que las vigas pasen a través de las columnas. Se coloca una pla- ca dentro de la cara de la viga, un ángulo se coloca en la esquina de la columna, y se hace una soldadura de cortante entre am- bas. Cada componente de la conexión se debe diseñar para el cortante de la viga más los esfuerzos debidos a la excentrici- dad de la carga.

CONEXIONES CON PERNOS

La ventaja principal de las conexiones con pernos es que el montaje y la fijación de los e l emen tos se puede hacer rápida- mente, resultando una reducción en el cos- to del montaje. El ajuste adecuado de las conexiones con pernos, sin embargo, requie- re de toleramias de colocación muy rígi- das. Los pernos se usan en cortante o en tensión, como se ilustra En las siguientes aplicaciones.

La conexión de la Fig. 6 utiliza pernos en cortante. Si se suelda el refuerzo de la parte superior de la viga, ésta se puede ha- cer continua, pero esta junta se usa más comúnrncnte para conectar puntales preco- iados ligeramefite cargados. Las ranuras ho- rizontales deben usarse para permitir ma- yores tolerancias de colocación. También, después del montaje es aconsejable scldar las placas de acero o los p.. amos.

42 Revista IMCPC, Vol. 5, N” 45, julio-agosto 1970

Fig. 6. Conexión a base de pernos y placas de

cortante.

columna precolada

piaca estructural insertoda y soldada al refuerzo de la columna

empaque

,

A LT E R N AT I VA

inyección de lechado para desarrollar la resistencia total de

ecubrimiento adicional

;-empaque seco

La base de columna mostrada en la figu- ra 7 usa pernos en cortante y tensión. La capacidad de momento está limitada, pero la junta ya es suficientemente rígida para mantener temporalmente a la columna en una posición vertical durante su montaje. La rigidez se puede incrementar soldando placas rígidas a los ángulos. Las tuercas de nivelación colocadas debajo de los ángulos se usan para ajustar la elevación de la co- lumna.

Otro uso de los pernos en cortante com- binado con tensión es el caso donde se usa ;n perno horizontal para conectar los ex- tremos del “borde” de la columna. Tales juntas deben detallarse para un espacio de aproximadamente 13 milímetros, con una nota de usar una cuña, si se requiere. Esto permitirá que se proceda con el montaje si los bordes son ligeramente largos o cortos.

En ccnexiones suspendidas tales como en el caso de la Fig. 8, los pernos se usan en tensión pura. Los pernos pasan a través

Fig. 7. Detalle de una ba- se de columna ligada con

pernos.

de conductos en cada elemento, Y la carga se Fig. 8. Viga suspendida con pernos largos.

43 Revista IMCYC, Vol. 8, NQ 45, julio-agosto 1970

-- espacio de acceso para operar e! gato. rellenado con lechada

\ I I . ..

, -

I .,A columna precoloda ( -1-b

cojin de OPOYO

. t tendones pos tensados

\. cimbra o empaque Seco y lechada antes del posten-

l-' refuerzo de la calumna

resiste por placas de carga colocadas en las caras exteriores. Los pernos de suspensión deben protegerse de riesgos de fuego y co- rrosión, ya que no existen trayectorias de carga alternadas. Esta protección con fre- cuencia se proporciona embebiendo los per- nos en el concreto, lo cual también se pue- de usar para prevenir movimientos de giros.

CONEXIONES qOSTENSADAS

El postensado es un medio de precom- primir las caras que se encuentran de dos elementos precolados. Los tendones de al- ta resistencia, cuando se colocan como se mueStra en la Fig. 9, pueden resistir altos momentos. Con frecuencia el postensado se

Fig. 9. Detalle de una co- nexión postensada para

vigas continuas.

usa para resistir momentos en el centro del claro, con los tendones extendidos hacia arriba a través de las columnas que los so- porten para resistir los momentos extremos y servir como un medio que conecte la viga con la columna.

Un marco rígido se puede crear exten- diendo los tendones postensados vertical- mente a través del extremo de la viga den- tro de la columna de apoyo. Detalles simi- lares se usan en el detalle mostrado en la figura 10 para suspender una viga de ante- pecho de trabes de techo en voladizo. En ambos casos, los tendones crean una pre- compresión a través de la junta, con una excentricidad que induce esfuerzos opues- tos a los provocados por las cargas aplica- das.

Fig. 10. Viga secundaría pos- tensada a una viga en

voladizo.

44 Revista IMCYC, Vol. 8, NQ 45, juiio-agosto 1970

refuerzo por adherencia de la viga precolada viga prccolaáa

I

7

Fig. 11. Detalle típico de una conexión colada en el

lugar. gancho debajo de lo W viga precolado

Los mejoramientos cont inuados en los materiales y el equipo, han hecho del pos- tensado un dispositivo de conexión conve- niente y confiable.

CONEXIONES COLADAS EN EL SITIO

Aunque han estado restringidas general- mente a climas cálidos, las conexiones co- ladas en el sitio ofrecen una forma simple y económica de obtener un eomportamien- to monolítico en las estructuras precoladas. Como el costo de los materiales de conexión disminuye, el costo de montaje se incre- menta.

En su forma más simple, los extremos de las vigas precoladas se embeben únicamen- te en concreto colado en el sitio como se muestra en la Fig. 11. Los problemas de

tolerancias se eliminan virtualmente, y la conexión final tiene un comportamiento si- milar a la construcción monolítica.

Una conexión de este tipo se muestra en la Fig. 12, donde se está colocando una lo- sa T presforzada sobre la parte inferior de la cimbra de una trabe colada en el sitio. El acero continuo se puede ver que se pro- yecta de la parte superior de la losa T, y los torones se dejan proyectados para el an- claje adicional. La parte inferior de la T ha sido rasgada para recibir una barra sus- pendida en forma de V. El lado inferior de la trabe, en este caso, se nivela con la parte inferior de la T.

Las juntas coladas en el sitio trabajan bien en intersecciones complejas. Por ejem- plo, la junta mostrada en la Fig. 13, in- volucra trabes que corren de izquierda a derecha, vigas para resistir viento, y colum-

Fig. 12. Colocación de una losa T sobre la cimbra de una trabe colada en el lugar.

Revista IMCYC, Vol. 8, NO 43, julio-agosto 1970 45

Fig. 13. Intersección de trabe, columna y viga de viento colada en el lugar.

nas, todas estas encontradas en un mismo punto. Para las trabes se usaron plafones peraltados de concreto precolado presforza- do, con refuerzo continuo en la parte de la trabe colada en el sitio. La columna y las vigas de viento también se colaron en el si- tio, de tal forma que únicamente el refuer- zo pasó a través del área congestionada. Las vigas de viento se colaron entre las nerva-

duras de la doble T. Después el concreto de asiento, que se coló con la parte supe- rior del piso, ligó todos los elementos junto con una junta limpia con comportamiento estructural confiable. El refuerzo de la viga de viento no estaba colocado en el sitio cuando se tomó la fotografía.

CONEXIONES CON PASAJUNTAS

Cuando un elemento se monta en la par- te superior de otro, una conexión con pasa- juntas ofrece un método simple y rápido de ligar los dos elementos. Si la parte su- perior de la pasajunta tiene rosca, se puede colocar una tuerca para mantener el ele- mento en su posición. Si se desea adheren- cia con la pasajunta, la camisa se puede lienar con lechada. Cuando se desee algún movimiento, la camisa sin inyectarle lechada permitirá esto, o si se coloca material de mastique en la parte inferior de la camisa inyectada con lechada, se puede obtener el mismo resultado. Las camisas en los extre- mos de las vigas se pueden enroscar con estribos en forma de horquilla para preve- nir un desgarramiento.

Una aplicación típica de las conexiones con pasajuntas se muestra en la Fig. 14. Aquí fue deseable retener los extremos ar- ticulados en las trabes de gran claro, de

46 Revista IMCYC, Vol. 8, NQ 45, julio-agosto 1970

tal forma que los grandes momentos extre- mos no se transmitiesen a las columnas de apoyo. La simplicidad de la fabricación es evidente en la Fig. 15, y el uso de cojines de carga hechos de neopreno para permitir rotación y aun apoyo, se muestra en la f i - gura 16.

Fig. 16. Cojín de neopreno de apoyo colocado en el lugar.

Fig. 15. Conexión con pasajuntas, antes de colocar el cojín de apoyo y la viga.

Fig. 17. Colocación de una viga sobre las pasajuntas.

ángulos y pernos para monta je temporal 4 pernos para la? zapatas 2 pernos a traves de las

,camisas de la columna

columna precolada

refuerzo de . - . -. . . . . -

JJ ' 1 1 1 1 o 1 1 1 1

I U I I U I de lechada

u u

Fig. 18. Deta l le de una base de columna con

pasa juntas.

Revista IMCYC, Vol. 8, NQ 45, julio-agosto 1970 47

Fig. 19. Traslape de una columna que se ligará con pasajuntas, que muestra la parte

inferior de la columna.

La colocación de una viga sobre la pasa- junta se ve en la Fig. 17. Obsérvese que los agujeros en la viga están alargados para permitir la tolerancia. También, la inser- ción de las pasajuntas dentro de los aguje-

Fig. 20. Traslape de una columna con pasa- juntas, que muestra la parte superior de la

columna.

ros es más simple si la parte superior de las pasajuntas están a elevaciones ligeramente diferentes.

Las pasajuntas son especialmente útiles para traslapes de columnas y bases de co- lumnas cuando se requiere transmisión de momento. En la Fig. 18, por ejemplo, las pasajuntas son proyecciones de refuerzo de la columna dentro de los agujeros inyecta- dos con lechada.

El mismo principio se puede usar para traslapes de columnas como se muestra en las Figs. 19 y 20. Además de la extensión del refuerzo de la columna dentro de los agujeros que se van a inyectar con lecha- da, es conveniente en traslapes de columnas proporcionar un tubo central como se mues- tra para su alineación y apoyo temporal durante su montaje.

El problema de las conexiones en este punto únicamente ha sido parcialmente re- suelto, y permanecen muchas dudas respec- to a procedimientos adecuados de diseño para conexiones. Comúnmente, la mayoría de los ingenieros están aplicando procedi- mientos normales de diseño para estos d e talles, y los resultados son usualmente con- servadores. Un entendimiento real de las trayectorias de carga y de comportamiento 2. cargas de diseño y cargas Últimas requie- re del ensaye de conexiones completas y de sus componentes. Hace algún tiempo se ha realizado algo de este trabajo, y el Comité PCI sobre Detalles de Conexiones ha pro- puesto recientemente diez áreas adicionales necesarias para estudio.

PREGUNTAS AUN SIN RESPUESTA

1. Ménsulas de acero:

¿Cuál es la longitud efectiva del vo- ladizo?

¿Dónde está el centroide de la car- ga aplicada?

;Las ménsulas son necesarias para las conexiones continuas?

2. Proyección de los pernos:

a) ;Cuál es la capacidad cuando se su- jeta a tensión y cortante combinados?

48 Revista IMCYC, Vol. 8, NO 45, julio-agosto 1970

* 8. Cargas concentradas en muros de mam-

postería:

a) ¿Qué modos de falla se pueden es- perar?

b) ¿Cuál es el efecto de los diversos espaciamientos de las cargas concen- tradas?

c) ¿Cómo se distribuyen los esfuerzos debidos a las cargas concentradas a través del muro?

b) Cuando los pernos se proyectan del concreto, ¿cuáles son los modos de falla?

c) ¿Cuál es el efecto de la resistencia del concreto?

3. Pasajuntas en camisas inyectadas con lechada:

a) ;Cuál es el embebimiento necesario para desarrollar la resistencia a la tensión de la pasajunta?

b) ¿Qué efecto tiene la rugosidad de las caras del agujero en el ensaye de tensión por extracción?

c) ;Cuál es el mejor diámetro del agu- jero para inyectar lechada?

4. Vigas secundarias:

a) ¿Qué longitud de la viga secunda- ria es efectiva para resitir una car- ga concentrada?

b) ¿Dónde está el centroide de las car- gas aplicadas?

5. Traslapes de ba'rras de refuerzo solda- das:

a) ¿Cuáles son los efectos de los tras- lapes excéntricos?

b) ¿Qué comparaciones de resistencia y costo existen entre las soldaduras a tope, traslape superpuesto y ángulos o placas traslapadas?

6. Barras colgadas (véase la Fig. 20):

a) ¿A qué ángulo deben colocarse las barras?

b) ¿Qué longitud de gancho es nece- sario?

c) ¿Qué cantidad de cortante debe to- marse con las barras colgadas?

7. Eases de columna en forma de cajón:

a) ¿Qué longitud de empotramiento es necesario para desarrollar el momen- to en la columna?

b) ¿Qué espesor de concreto se requie- re debajo del cajón para prevenir la penetración a través de él?

9. Cojines de carga:

a) ;Cuál es la compresibilidad relativa de los diversos tipos de cojines fle- xibles?

b) i&ué coeficiente de fricción des- arrollan?

c) ¿Se llegan a deteriorar los cojines cuando se sujetan a cortante hori- zontal repetido?

10. Extremos de las vigas ranuradas:

a) ;Cómo debe diseñarse y detallarse el refuerzo?

b) ;Puede tomarse en cuenta el con- creto de empaque húmedo en la zo- na en compresión para resistir el momento ?

CONCLUSIONES

La última meta, en la opinión del que escribe, es terminar un manual de conexio- nes que contenga las secciones siguientes:

1. Tipos de conexiones y cuándo deben usarse.

2. Cargas permisibles para conexiones es- pecíficas.

3. Cargas permisibles para los compo- nentes de las conexiones.

4. Esfuerzos permisibles y procedimien- tos de diseño.

Con una referencia de diseño de este ti- po, un proyectista estará capacitado para elegir razonable y económicamente las co- nexiones, y para diseñarlas con confianza.

Revista IMCYC, Vol. 8, NQ 45, julio-agosto 1970 49

REFERENCIAS SELECTAS PARA SU 12. ROSTASY, FERDNAND S. Connections in Pre-

LECTURA ADICIONAL

1.

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9.

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11

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50 Revista IMCYC, Vol. 8, N o 45, julio-agosta 1970