Diseño de Estructuras Compuestas Acero Concreto

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  • Diseo de Estructuras Compuestas

    Acero - Concreto

    Por: M. en C. Enrique Martnez Romero1

    1 Prof. del Area de Estructuras de la Facultad de Ingeniera de la UNAM. Director General Enrique Martnez Romero, S.A. Consultores Asociados.

  • MIEMBROS COMPUESTOS VIGAS Y COLUMNAS

    HIPOTESIS

    El Acero y el concreto trabajan conjuntamente La carga en los elementos compuestos se distribuye en cada material tomando en cuenta su capacidad ltima

    Existe transferencia mecnica de las fuerzas entre concreto y acero. Enfoque estructural que hace sentido

  • VIGAS COMPUESTAS

    HIPOTESIS

    Utilizar el momento de inercia de la seccin transformada para los anlisis elsticos

    Considerar distribucin plstica de esfuerzos en la zona de momentos positivos Considerar esfuerzos de fluencia en el acero en la zona de momentos negativos La construccin compuesta puede ser parcial o completa

  • VIGAS COMPUESTAS (Contina)

    REGION DE MOMENTOS POSITIVOS

    Ancho efectivo de la losa de concreto que participa con la viga, el menor de: a) Espaciamiento entre vigas

    b) Claro entre 4

    c) 8 veces el espesor de la losa (solo NTC del LRFD)

  • VIGAS COMPUESTAS (Contina)

    Todas las vigas laminadas debern tener almas que cumplan los requisitos de las secciones compuestas.

    Por lo tanto b = 0.85 y el momento resistente nominal Mn se evala a partir

    de una distribucin plstica de esfuerzos.

  • DISTRIBUCION PLASTICA DE ESFUERZOS +M

    DETERMINESE LA LOCALIZACION EL EJE NEUTRO PLASTICO (ENP)

    Fuerza de compresin del concreto, la menor de: C = AsFy

    = 0.85fcAc

    = Qn

  • DISTRIBUCION PLASTICA DE ESFUERZOS +M (Contina)

    Una vez ubicada la posicin del ENP, se determinan todas las fuerzas correspondientes a los volmenes de esfuerzo.

    El esfuerzo de compresin del concreto es 0.85 fc (las NTC del RCDF establecen 0.85 f*c , donde f* = 0.8 fc)

    Se ignora el concreto en tensin El acero en compresin alcanza Fy El acero en tensin alcanza Fy

  • ACCION COMPUESTA COMPLETA

    Supngase que el cortante en los conectores no controla El ENP puede caer en la losa de concreto o en la viga de acero

    AsFy Qn 0.85 fcAc Qn

    CAPACIDAD DE LOS CONECTORES DE CORTANTE

  • CONECTORES DE BARRA CON CABEZA (TIPO NELSON)

    Qn = 0.5 Asc f E A Fc c sc' u (para losas macizas)

    (Las NTC utilizan f* en lugar de fc)

    RESISTENCIA NOMINAL DE CORTANTE Qn, PARA BARRA CON CABEZA DE 19mm

    fc W Qn

    (ksi) (ksi)

    (lb/ft3) (kg/m) (kips) (kg)3.0 210 115 1842 17.7 80293.0

    210 145 2323 21.0 95263.5 250 115 1842 19.8 89813.5 250 145 2323 23.6 107054.0 280 115 1842 21.9 99344.0 280 145 2323 26.1 11839

    CAPACIDAD DE LOS CONECTORES DE CORTANTE

  • (Contina)

    SECCION CANAL Qn = ( )0 3 0 5. . 't t L f Ef w c c c+

    donde:

    tf = espesor promedio del patn de la canal en cm

    tw = espesor del alma de la canal en cm

    tc = longitud de la canal en cm

    El RCDF utiliza f* en vez de fc

    ACCION COMPUESTA PARCIAL

  • La transferencia de cortante queda controlada por la capacidad de los conectores

    Cc = Qn

    La accin compuesta parcial se utiliza en los casos en que la capacidad del perfil de acero no se utiliza a 100% para la accin compuesta, pero puede ser utilizada durante

    su trabajo en soportar el concreto fresco

    VIGAS COMPUESTAS CON LOSA COLADA SOBRE

  • LAMINA METALICA (LOSACERO)

    El concreto que queda en los valles de las ondulaciones no participa en compresin. Solamente el concreto por encima de la corrugacin ms alta.

    La capacidad de los conectores de cortante se debe reducir de su valor nominal para losas macizas

    La direccin de las ondulaciones respecto a la viga compuesta afecta al comportamiento de la viga

    CONSTRUCCION APUNTALADA VS

  • CONSTRUCCION SIN APUNTALAMIENTO

    Deformaciones iniciales durante el colado Deformaciones finales con carga sobre puesta Deformaciones a largo plazo Capacidad ltima

    CONDICIONES DE SERVICIO

  • Deformaciones Vibraciones Contraflecha Agrietamientos Pruebas de carga

    COLUMNAS COMPUESTAS

    LIMITACIONES

  • El perfil de acero debe tener por lo menos un rea igual o mayor al 4% del rea total de

    la columna compuesta.

    Debe existir varillas de refuerzo para la columna de concreto Debe tener estribos de confinamiento El concreto debe ser de fc de 210 a 560 kg/cm No utilizar acero con esfuerzos de fluencia mayor a Fy = 4200 kg/cm (60 ksi) Los perfiles tubulares de acero, debern tener un espesor mnimo determinado por dicha

    especificacin b F Ey / 3 para columnas rectangulares de lado

    (Las NTC utilizan FY = 3880 kg/cm (55 ksi) )

    COLUMNAS COMPUESTAS (Contina)

  • RESISTENCIA A CARGAS AXIALES

    c = 0.85 (Las NTC utilizan 0.90) Pn = AgxFmy

    donde:

    Ag = As (rea de la seccin de acero)

    y el esfuerzo crtico se determina con las mismas expresiones utilizadas para las columnas de acero, utilizando los valores modificados de Fy y E.

    COLUMNAS COMPUESTAS (Contina)

  • Radio de giro - rm Utilice r del perfil de acero pero no menos que 0.3b siendo b el lado de la columna

    compuesta en el plano donde se estudia el pandeo

    Esfuerzo de fluencia modificado

    F F c FAA

    c fAAmy y yr

    r

    sc

    c

    s= +

    +

    1 2 '

    (Las NTC utilizan f* en lugar de fc)

    COLUMNAS COMPUESTAS (Contina)

    Mdulos de elasticidad modificado

  • E E c EAAm c

    c

    s= +

    3

    donde:

    para tubos de acero rellenos de concreto

    C1 = 0.0 C2 = 0.85 C3 = 0.3

    para perfiles de acero recubiertos de concreto C1 = 0.7 C2 = 0.6

    C3 = 0.2 Tomar Ec = 10 000, f c' para concretos con peso volumtrico igual o mayor que 2,000 kg/cm

  • ENRIQUE MARTINEZ ROMERO, S.A.C O N S U L T O R E S A S O C I A D O S

    Construccin Compuesta 1. Generalidades Cuando un miembro estructural se forma de dos o ms materiales que tienen diferente relacin esfuerzo-deformacin, y dichos materiales se unen de alguna manera para trabajar en conjunto como un solo elemento, se le denomina compuesto. Desde el punto de vista de las aplicaciones a la construccin de edificios, la construccin compuesta es aquella que emplea miembros compuestos, y los materiales mas comunes que los componen son el acero estructural y el concreto, simple o reforzado. La figura 1 muestra cinco tipos de miembros compuestos comnmente utilizados en la construccin compuesta: a) Una viga de acero completamente embebida o ahogada en concreto; b) una viga de acero

    soportando una losa maciza de concreto; c)una viga de acero soportando un panel de lmina metlica corrugada, que recibe a manera de cimbra al concreto de una losa, comnmente conocida como losacero; d) una columna de acero completamente ahogada de concreto reforzado y e) una columna de seccin tubular circular, rellena de concreto simple o reforzado. Algunas de estos miembros tales como el a) d) y e) no requieren de elementos de atraque o anclaje mecnico entre el acero y el concreto, excepto por la adherencia natural que existe entre ambos materiales. Otros, como el b) y el c), si requieren anclajes mecnicos para que ambos materiales trabajen de conjunto.

    La integracin mecnica de los dos materiales permite la formacin de miembros considerablemente ms fuertes y resistentes, cuyas propiedades son superiores a las propiedades individuales de cada uno de sus componentes, en lo que podramos denominar un sinergismo clsico. Esta forma de construccin se hizo comn en los primeros edificios importantes en la Ciudad de Mxico, en los aos 30s a 50s , cuando se recubran las trabes y columnas de acero de concreto, con el doble objeto de darles mayor resistencia, y proteccin contra el fuego y el intemperismo, logrando construcciones de gran durabilidad que todava hoy en da funcionan. En aquel entonces se confiaba un tanto en una determinada resistencia adicional de los elementos de acero ahogados en concreto, de una manera altamente emprica y sin bases tericas bien estudiadas, y no fue sino hasta el ao de 1952 que el AISC (American Institute of Steel Construction) adopt las primeras reglas para el diseo de vigas de acero ahogado en concreto, en el texto de sus Especificaciones para el diseo de edificios. Mas tarde, en 1956 complement dichas reglas para las vigas de acero soportando losas de concreto macizas. Resulta interesante mencionar que no obstante que tales reglas y procedimientos para su diseo, se basaban en la resistencia ltima de las secciones compuestas, se escribieron en la forma de un procedimiento de diseo por esfuerzos permisible, propio de la poca. Tal vez por esta razn sea

    av. nuevo len 54-2o piso tels.(525) 553-55-96 553-85-68 c.p. 06140 mxico, d.f. fax (525) 286-22-76

  • que el procedimiento de diseo del AISC para vigas de seccin compuesta por esfuerzos permisibles (ASD) sea con frecuencia criticado como convolucionado y difcil de comprender En contraste de esto, las reglas del AISC por factores de carga y resistencia LRFD, introducidas en el ao de 1986 para el diseo de vigas compuestas, se t