REVISTA CONSTRUCCION METALICA by George García

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No. 201788 CERTIFICACIÓN ISO 9001 - 2000

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En diseño arquitectónico de edificaciones, construcción de edificaciones y obras de urbanismo, le ha sido otorgado el Certificado ISO 9001 - 2000 a LA ORGANIZACIÓN.

DISEÑO, CÁLCULO, MONTAJE, CONSTRUCCIÓN DE ESTRUCTURAS METÁLICAS Y ACABADOS ARQUITECTÓNICOS HEA IPE , WF PERLINES STEEL DECK CUBIERTAS DRYWALL

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SOLUZONA TORRE A Y B

Fundadores-Asesores

Tito Livio Caldas, Alberto Silva, Miguel Enrique Caldas

Presidente

Luis Alfredo Motta

Gerente Unidad de Información Profesional Especializada

David de San Vicente

Gerente Construdata

Juan Guillermo Consuegra juan.consuegra@legis.com.co

Construcción Metálica

8 Especial

Unidad Deportiva Atanasio Girardot

Para los IX Juegos Suramericanos Medellín 2010 esta área se consolidará con la recuperación del Coliseo de Baloncesto Iván de Bedout y la construcción de cuatro escenarios integrados por una cubierta metálica que definirá el concepto arquitectónico de nueva topografía.

16 Materiales

Conectores de cortante tipo tornillo para un sistema compuesto (segunta parte)

La relación directa entre la sección y el tipo de falla del material, así como entre la rigidez de las probetas y la cantidad de conectores, son algunas de las conclusiones de este trabajo de investigación.

Dirección editorial

Hernando Vargas Caicedo

Editora general

Melissa Fernández melissa.fernandez@legis.com.co

Investigación

Sergio Villamil

Diseño y diagramación

George García - G 2 diseños E.U.

Portada

Johanna Leguizamón Ilustraciones

James García

Gerente comercial

David Barros david.barros@legis.com.co Coordinador ventas

René Leon rene.leon@legis.com.co

Jefe de mercadeo

Ricardo Torres ricardo.torres@legis.com.co

Ventas publicidad

Mario Chala, Luis Carlos Duque, Gabriel Cristancho, Erika Gonzalez

Impresión

Legis S.A.

Estudio

El acero en la rehabilitación Las opiniones expresadas por los autores de cada artículo individual no reflejan necesariamente las de Legis S.A. Legis S.A. se reserva los derechos de autor sobre el material de la presente edición, que no puede reproducirse por medio alguno sin previa autorización escrita. La información técnica de productos fue suministrada directamente por cada fabricante y Legis S.A. no asume ninguna responsabilidad, implícita o explícita, sobre la utilización que de ella se haga, así como tampoco por el contenido, la forma o el fondo de los avisos publicitarios, incluido el uso de fotografías, marcas y/o patentes.

El uso combinado de materiales nuevos y antiguos estimula la diversidad arquitectónica.

Galería gráfica

Proyectos metálicos

Una selección de obras nacionales con manejo de estructura y componentes metálicos.

Contenido 40 36

28 22 Materiales

Aditivos

Zoom in

El reto de la protección metálica

Detalles metálicos

Análisis de soluciones estructurales, envolventes y cubiertas.

La exposición de estructuras metálicas a elevadas temperaturas o a la corrosión ha generado el desarrollo de productos de alta tecnología, dinamizando así estos insumos para la construcción.

Acero inoxidable, acero mejor

Perspectivas de desarrollo en Colombia.

Legado

Sistemas

“La introducción del hierro en edificios nos permite enfrentar iniciativas de las que épocas anteriores no tenían sino un vago presentimiento”.

Los riesgos que produce el viento en las edificaciones pueden disminuirse con una adecuada intervención de la vulnerabilidad. La rigidización proporciona elementos que mejoran la configuración de la estructura, al mismo tiempo que su comportamiento ante esta fuerza natural.

Eiffel, de la artesanía a la globalización

CaixaForum Madrid

La “operación quirúrgica” para la rehabilitación del edificio sede de este centro cultural, a cargo de Herzog & Meuron, separó y removió su base y las partes sin alterar las fachadas que debían conservarse. El proyecto definió una nueva volumetría dominada por el acero corten y espacios interiores de acero inoxidable.

Fichas técnicas

Descripción detallada de productos y sistemas metálicos para construcción.

Rigidización de pórticos metálicos acartelados

Internacional

Especial

Hotel Continental

Este antiguo inmueble de conservación se sometió a una actualización, en la cual se replanteó su reforzamiento estructural con acero, según las normas vigentes, para así habilitarlo al nuevo uso residencial y comercial.

80 Nos interesan sus comentarios, escríbanos a melissa.fernandez@legis.com.co

Construcción Metálica 9

Construcci贸n Met谩lica 9

Unidad Deportiva

Atanasio Girardot Como escenario para los IX Juegos Suramericanos Medellín 2010, esta área de la ciudad se consolidará con la intervención que se hará al Coliseo de Baloncesto Iván de Bedout y la construcción de los escenarios para gimnasia, voleibol y combate. La cubierta metálica que integrará a estos cuatro edificios definirá el concepto arquitectónico de nueva topografía.

ESPECIAL

n mayo de 2008, la Alcaldía de Medellín y el Instituto de Deportes y Recreación (Inder) convocaron un concurso público internacional para el diseño de los anteproyectos arquitectónicos, urbanísticos y paisajísticos de los escenarios para los próximos Juegos Suramericanos 2010. El primer puesto se adjudicó al proyecto presentado por la Unión Temporal Suramérica, conformada por los arquitectos Giancarlo Mazzanti y Juan Felipe Mesa. El conjunto urbano se plantea como una nueva configuración geográfica en el alargado Valle de Aburrá, a medio camino entre los cerros Nutibara y El Volador. Se trata de una topografía arquitectónica con cualidades específicas: desde la lejanía o desde lo alto exhibe una imagen geográfica abstracta y festiva, mientras que desde su interior el movimiento de la estructura de cubierta permite el acceso de la luz natural, tenue y filtrada, adecuada para la realización de eventos deportivos.

El diseño intenta reconstruir una montaña a partir de una cubierta metálica hecha de franjas paralelas, que dará unidad urbana y espacial como un gran continente edificado, con espacios públicos abiertos, que también permitirá a los cuatro coliseos funcionar de manera independiente.

Estructura La forma de los edificios, cuya altura alcanzará los 20 m, está definida por la misma estructura, por lo que se optó por un sistema modular de acero que permite optimizar los procesos de fabricación y montaje. El proyecto plantea la utilización de dos tipos de materiales: en la franja 1 (suelos, estructura de graderías, graderías y columnas) se utilizará el hormigón, con la opción de prefabricar las zonas de tribunas y trabajar con un tipo único de columnas. En la franja 2, las franjas de cubiertas se construirán a partir de cerchas metálicas livianas unidas por otras más pequeñas, modulares y de fácil industrialización.

El proyecto Las tres nuevas canchas deportivas abiertas de la Unidad Deportiva Atanasio Girardot se suman al sentido urbano norte-sur existente, lo que permite la continuidad visual y peatonal de la ejes importantes como la carrera 70., que es enfatizada al llegar a la unidad deportiva. La libre circulación peatonal alrededor de todos los edificios, más la creación de cuatro nuevas plazas triangulares, permite un espacio público circundante y conexo.

Construcción Metálica 9

El concepto que predomina es el de estructuras independientes para graderías y cubiertas. Las graderías (de concreto) tendrán un sistema estructural de pórticos elaborados con el mismo material, reforzado con vigas gualdera inclinadas en dirección transversal y vigas longitudinales que lo complementan. El área de competencia se encuentra 2,9 m por debajo del nivel del terreno y se sostendrá por muros de contención perimetrales.

ESPECIAL

Cubierta Su diseño comenzó con la definición de la geometría básica de las cerchas y la determinación de las cargas por considerar, de acuerdo con la NSR-98. Se propusieron varias alternativas de disposición de la celosía, con base en una separación de correas de 1,8 m. Una vez definido el trazado de las diagonales de cada elemento, se construyeron modelos para analizar los diferentes tipos de cercha y su respuesta a cargas verticales, viento y movimientos sísmicos. La cubierta consistirá en franjas hechas con pórticos de acero, articulados en dirección transversal con cerchas que mejoran la estabilidad lateral del sistema, las cuales vencerán la luz mayor de 55 m, y un pórtico resistente a momento en dirección longitudinal, que estará conformado por una viga que vincule las columnas del edificio. Las franjas, de 7,4 m de ancho, estarán separadas entre sí por otra de 1,8 m que servirá como canal de evacuación de aguas y como pasarela de inspección. A causa de la geometría curva de la cubierta, las cerchas presentarán un comportamiento en forma de arco, articulado en los apoyos, y las columnas de soporte tendrán un elemento inclinado que recibirá el componente horizontal. La geometría de las columnas generará rigidez ante cargas horizontales ocasionadas por un sismo en dirección transversal, mientras que en dirección longitudi-

nal se aprovechará la rigidez del pórtico generado por la viga de amarre a un nivel superior. La fabricación de las cerchas se hará en sitio, trazando en el piso la geometría y ensamblando cada elemento. Por lo general, las cerchas se dividen en tres secciones, para izarlas con ayuda de torres temporales de apoyo y unirlas con bridas atornilladas que se aseguran con el elemento alineado y puesto sobre las columnas. Las cerchas por parejas se irán ubicando según se fabrican, comenzando así con la instalación de las correas para conformar las franjas. Con el fin de obtener una ganancia en cuanto a rigidez y resistencia de las columnas, se determinó rellenarlas con concreto para aprovechar las condiciones de la sección compuesta. Por su configuración geométrica, en las cerchas se disminuirá la sección de apoyo para proyectarse en voladizo hacia el exterior con una altura máxima de 0,6 m. Para manejar este cambio de sección se conformará una viga de alma llena que una los cordones superior e inferior con una lámina de ¼”, modelada a partir de elementos tipo shell. Una vez montada la estructura, se le aplicará pintura polimérica como segunda protección y se montará la cubierta conformada por un sándwich de superboard, Tyvek® de Dupont, malla plástica con pegamento de látex y cristanac de tonos verdes como acabado final.

Construcción Metálica 9

Cercha metálica tipo 3a,3b,5a,5b

ESPECIAL

Planta Coliseo de Voleibol Nivel acceso

Coliseo de voleibol Aforo: 2.400 personas Área: 4.899 m2 Programa: administración, cafetería, camerinos, zona antidopaje, zonas de competencia, área de entrenamiento, cuarto de control, depósito y zona de prensa.

Planta Coliseo de Voleibol Nivel graderías

Construcción Metálica 9

ESPECIAL

Coliseo de Voleibol Corte longitudinal

Coliseo de Voleibol Corte transversal

Flexibilidad y transparencia Los nuevos edificios funcionarán como unidades independientes durante los Juegos, pero tendrán la posibilidad de relacionarse abriendo sus caras norte y sur para convertirse en un gran parque público cubierto y deportivo, con transparencias visuales y continuidad espacial.

Bioclimática La disposición oriente-occidente de las franjas de la cubierta evitará el acceso directo de la luz solar al interior. Las caras norte y sur de los edificios permitirán el paso directo de las corrientes de aire gracias a las amplias ventilaciones cruzadas.

Construcción Metálica 9

Reforzamiento Iván de Bedout La estructura de las graderías de este coliseo, cuyo diseño y construcción originales son de hace más de 30 años, está conformada por pórticos de concreto con vigas inclinadas de soporte a las gradas, que se forman con nervios de 10 cm de ancho y losas planas de entre 5 y 7 cm de espesor para las huellas. La estructura no tiene vigas en dirección longitudinal, por lo que los pórticos no son completos. El estudio de patología y diagnóstico de vulnerabilidad sísmica al que fue sometida esta estructura encontró deficiencias en cuanto a rigidez y resistencia, por lo que la propuesta de reforzamiento adiciona un par de arriostramientos excéntricos con perfiles tubulares de acero, así como de vigas longitudinales que reconforman los pórticos en dirección paralela a la gradería. La intervención propuesta busca obtener una mejora en el comportamiento dinámico de la estructura que garantice una mayor rapidez en la ejecución de las obras mediante el empleo de los elementos metálicos. Ficha técnica Cliente Ubicación Año del proyecto Tiempo de ejecución (meses)

2008 12 30.694

Área lote (m²)

43.448

Estudio de suelos Diseño estructural

Fabricación y montaje de la estructura Constructor

Construcción Metálica 9

Medellín

Área construida (m²)

Diseño arquitectónico

Inder, Instituto de Deportes y Recreación.

Unión Temporal Suramérica. Arquitectos Giancarlo Mazzanti y Felipe Mesa. Solingral S.A. CNI Ingenieros Consultores Ltda. Ingenieros Nicolás Parra G. y Daniel Lozano. Estaco S.A. (coliseos de baloncesto y gimnasia), Estrunar Ltda. (coliseo de voleibol), SEI Corpacero (coliseo de combate). Coninsa Ramón H.

Estudio de patología y vulnerabilidad sísmica

Centro de Proyectos e Investigaciones Sísmicas (CPIS), Universidad Nacional de Medellín.

Fuente de información

Giancarlo Mazzanti arquitectos. CNI Ingenieros Consultores Ltda.

Planos, renders y fotos

Giancarlo Mazzanti arquitectos.

MATERIALES

Conectores de cortante tipo tornillo para un sistema compuesto (Segunda parte) La relación directa entre la sección y el tipo de falla del material, así como entre la rigidez de las probetas y la cantidad de conectores, son algunas de las conclusiones de este trabajo de investigación adelantado en la Maestría en estructuras de la Universidad Nacional de Colombia. Xavier Fernando Hurtado A. Maritzabel Molina H. Dorian Luis Linero S.

σ2

Modelo matemático

A partir del método de los elementos finitos se llevó a cabo un análisis tridimensional con no linealidad, de acuerdo con los modelos constitutivos de los materiales, considerando deformaciones infinitesimales para la probeta identificada como M5-2-12. La aplicación de la carga se representó por un desplazamiento incremental sobre el perfil y se usó el programa ANSYS para desarrollar este modelo.

Tensión - Tensión

Compresión - Tensión

σ 3 > 0 (FISURACIÓN)

σ1

σ 3 > 0 (FISURACIÓN)

σ 3 = 0 (APLASTAMIENTO)

Tensión - Compresión

σ 3 < 0 (APLASTAMIENTO)

fc Compresión - Compresión

Fig. 12. Criterio William & Warnke. PROPIEDAD f’c ft fcb σh f1 f2

42.4 MPa 4.2 MPa 50.9 MPa 73.4 MPa 61.5 MPa 73.1 MPa

DESCRIPCIÓN Esfuerzo uniaxial máximo a compresión Esfuerzo uniaxial máximo a tensión Esfuerzo biaxial máximo a compresión Estadeo de esfuerzos bajo ambiente hidrostático Esfuerzo biaxial máxmo a compresión y estado hidrostático Esfuerzo uniaxial máximo a compresión y estado hidrostático

Tabla 9. Relación entre las variables de caracterización del concreto σ σ2 Compresión - Tensión

Tensión - Tensión

σy

E’=0

σy

E -σ y

σy

σ1

-σ y

σy

Tensión - Compresión Compresión - Compresión

Fig. 13 PROPIEDAD E σy υ E’

200.000 MPa 394.2 MPa 0.20 0.00001 MPa

DESCRIPCIÓN Módulo de elasticidad del acero Esfuerzo de fluencia del material Relación de Poisson Módulo de elasticidad del acero en la zona de endurecimiento

Tabla 10. Valores de caracterización del acero de los conectores de cortante

Construcción Metálica 9

Modelos numéricos de los materiales • Concreto: el criterio de falla aplicado en la modelación del concreto fue el de William & Warnke (Fig. 12), que describe una superficie de esfuerzo máximo para un estado biaxial de esfuerzos, el cual se define a partir de valores de resistencia a compresión y tensión del concreto. • Acero de los conectores de cortante: este modelo se trabajó con la curva idealizada bilineal del acero, de acuerdo con los datos de los ensayos de laboratorio (Fig. 13b). El criterio de fluencia definido para el acero es el de Von Mises (Fig. 13a). • Acero del perfil metálico: de igual manera que para los conectores, el modelo del perfil metálico empleó una curva esfuerzodeformación idealizada bilineal, de acuerdo con los ensayos de laboratorio, utilizando el criterio de fluencia de Von Mises. Caracterización del modelo • Discretización: aprovechando la simetría geométrica y de cargas, se modeló la mitad de la probeta con respecto al eje y con las dimensiones nominales del modelo físico. En la figura 14 se puede observar la malla de elementos finitos, en la que se emplearon elementos tridimensionales SOLID65 y SOLID45, los cuales permiten trabajar materiales con propiedades no lineales.

MATERIALES

La compatibilidad de los nodos, particularmente en las zonas de interacción entre el concreto y el acero, se garantizó con la vinculación de las mallas de cada uno de los volúmenes discretizados. • Condiciones de borde: con el fin de simular adecuadamente las condiciones del ensayo y garantizar la estabilidad del modelo de manera que no existieran problemas de convergencia numérica durante el análisis por computador, se consideraron las siguientes restricciones:

Fig. 14. Malla de elementos finitos

• Apoyos en la cara inferior de la placa de concreto, restringiendo los desplazamientos en todas las direcciones y simulando las condiciones del ensayo experimental. • Limitación al desplazamiento en el alma del perfil, simulando la restricción de la sección simétrica. • Desplazamientos controlados en dirección vertical sobre el perfil, simulando la aplicación de la carga. Estos desplazamientos se aplicaron de manera lineal en 250 pasos, donde se consideraron hasta 20 iteraciones para llegar a convergencia. Resultados • Desplazamientos: como se observa en las figuras 16a y 16b, el perfil metálico tuvo un comportamiento de cuerpo rígido, conservando la misma magnitud de desplazamientos tanto en la cara sobre la cual se aplicó la carga, como en la ubicada en el extremo opuesto. La figura 16c muestra la deformación final de los conectores. Cabe destacar que el tornillo con mayor desplazamiento final es el que está más alejado del punto de aplicación de la carga, resultado consistente con los obtenidos en los ensayos de laboratorio. Este conector encuentra un mayor volumen de concreto, oponiéndose al desplazamiento, lo que hace que este tornillo entre primero en fluencia y tenga mayor deformación en comparación con los otros, antes de producirse la fractura de la placa. En las direcciones X y Y, los desplazamientos finales son del orden de 0.002 m (Fig. 17). Estas magnitudes de desplazamiento se consideran poco relevantes respecto al desplazamiento de 0.005 m en Z. No obstante, las magnitudes de los desplazamientos en Y indican que existe deflexión de la placa de concreto, inducido por la carga aplicada. • Esfuerzos: en las figuras 18a y 18b se encuentran los componentes de esfuerzos SZ para el perfil metálico con los conectores y el concreto, respectivamente.

Fig. 15. Restricciones impuestas al modelo

Fig. 16a

Se demarca la concentración de esfuerzos en la zona de los conectores (de tracción y de compresión) tanto en la placa como en el perfil. Similar a lo que sucede con los desplazamientos, los componentes de esfuerzos en los sentidos X y Y presentan menor relevancia que en sentido Z, llegando al 60% y 20% respectiva-

Fig. 16b

Construcción Metálica 9

MATERIALES

mente, con respecto al valor de esfuerzo mรกximo de 11.5MPa. En los estados de esfuerzos cortantes en sentido XY, YZ y ZX se observa que la zona de interacciรณn entre conectores y perfil corresponde a la mรกs esforzada en los tres casos (Fig. 19a), llegรกndose a valores hasta de 8.5MPa que sobrepasan el de resistencia mรกxima a corte del concreto (1.1MPa).

Fig. 16c

Fig. 17a

Fig. 17b

De manera similar a lo observado con los esfuerzos cortantes, los esfuerzos principales presentan una mayor concentraciรณn en la zona de contacto entre conectores y perfil metรกlico, donde se realiza la transferencia de carga, llegando a tener intensidades de esfuerzos principales hasta de 8.5MPa, que superan el esfuerzo mรกximo a tensiรณn del concreto (4.2MPa). Este efecto se aprecia en la figura 19(b). Con los anteriores resultados se concluye que, a causa de los esfuerzos cortantes inducidos por los conectores sobre el concreto, ocurre una degradaciรณn continua en dicho material y pรฉrdida de rigidez del sistema, lo que genera fractura de la placa de concreto y deformaciones elevadas en los conectores. โ ข Comparaciรณn de resultados: la tabla 12 presenta los datos promedio registrados para este modelo en el laboratorio y los resultados obtenidos en la modelaciรณn y el porcentaje de error encontrado. DESPLAZAMIENTO PROMEDIO (mm) 0.00 0.10 0.19 0.29 0.37 0.46 0.54 0.63 0.73 0.83 0.92 1.01 1.09 1.18 1.27 1.36 1.45 1.54 1.64 1.75 1.89

CARGA kN ExperImental 0.00 8.90 17.79 26.69 35.58 44.48 53.38 62.27 71.17 80.06 88.96 97.86 106.75 115.65 124.54 133.44 142.34 151.23 160.13 169.02 177.92

Modelaciรณn 0.00 14.37 27.96 41.36 52.02 62.71 71.39 81.73 90.99 101.23 109.63 117.69 124.48 131.52 138.26 145.86 152.76 158.68 165.83 172.96 181.12

% DE ERROR --38% 36% 35% 32% 29% 25% 24% 22% 21% 19% 17% 14% 12% 10% 9% 7% 5% 3% 2% 2%

Tabla 12

Fig. 18a. Esfuerzos SZ

Construcciรณn Metรกlica 9

Se observa que la mayor discrepancia de resultados se encuentra en el periodo inicial, donde se llega al 38% de error. A medida que la carga se incrementa, junto con los desplazamientos, se reduce la variaciรณn hasta el 2%, inducida por el modelo constitutivo del concreto que considera endurecimiento en la rama ascendente de la curva esfuerzodeformaciรณn. El registro completo de los resultados de la modelaciรณn por medio de elementos finitos se encuentra en la figura 20.

MATERIALES

Comportamiento general de los conectores tipo tornillo Con el fin de obtener las ecuaciones de diseño de conectores tipo tornillo grado dos para un sistema de sección compuesta con concreto de 21 MPa, se calcula la relación entre cargas de falla (Hurtado, 2007) a partir de:

(1)

(2)

donde: f’c: Resistencia a la compresión del concreto [MPa] Ec: Módulo de elasticidad del concreto [MPa] n: Número de conectores f: Diámetro de los conectores [m] S: Separación entre conectores [m]

Fig. 18b. Esfuerzos SZ

Estas expresiones fueron los parámetros de comparación en estudios previos para espigos (Ollagaard, 1971), que a su vez tienen la misma presentación de las ecuaciones planteadas en las normas de diseño. • Relación carga de falla vs. diámetro: en la tabla 13 se encuentran datos de carga última y la respectiva relación existente entre estas dos magnitudes. A partir de estos datos, y promediando los valores de relación de cargas con las mismas separaciones entre conectores, se obtiene la expresión: (3) MODELO M4-1-0 M4-2-8 M4-2-12 M4-2-14 M4-3-12 M4-3-14 M5-1-0 M5-2-8 M5-2-12 M5-2-14 M5-3-12 M5-3-14 M6-1-0 M6-2-8 M6-2-12 M6-2-14 M6-3-12 M6-3-14

CARGA FALLA (KN) 100.42 187.54 150.16 180.38 234.22 243.73 129.32 195.33 234.97 232.48 248.11 214.59 178.59 253.38 278.42 232.96 318.85 334.24

RELACIÓN

(KN) 151.542 214.313 214.313 214.313 262.479 262.479 169.430 239.610 239.610 239.610 293.461 293.461 185.601 262.479 262.479 262.479 321.470 321.470

0.66 0.88 0.70 0.84 0.89 0.93 0.76 0.82 0.98 0.97 0.85 0.73 0.96 0.97 1.06 0.89 0.99 1.04

Figs. 19a y 19b CARGA vs. DESPLAZAMIENTO 300 250

Tabla 13. Datos de comparación para correlacionar el efecto del diámetro de los conectores

• Relación carga de falla vs. separación: en la tabla 14 se muestran los datos de carga de falla y su respectiva relación. Al sacar el promedio de estos valores se llega a la ecuación de correlación entre carga de falla y separación entre conectores: (4)

CARGA (kN)

200 150 100 50 0 0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

DESPLAZAMIENTO (mm) M5-2-12-1 M5-2-12-2 M5--12-3 MODELO ELÁSTICO MODELO ELEMENTOS FINITOS

Figura 20. Curva Carga vs. Desplazamiento modelo MEF

Construcción Metálica 9

MATERIALES

MODELO M4-1-0 M4-2-8 M4-2-12 M4-2-14 M4-3-12 M4-3-14 M5-1-0 M5-2-8 M5-2-12 M5-2-14 M5-3-12 M5-3-14 M6-1-0 M6-2-8 M6-2-12 M6-2-14 M6-3-12 M6-3-14

CARGA FALLA (KN) 100.42 187.54 150.16 180.38 234.22 243.73 129.32 195.33 234.97 232.48 248.11 214.59 178.59 253.38 278.42 232.96 318.85 334.24

(KN)

RELACIÓN

268.994 329.388 355.780 329.388 355.780

0.70 0.46 0.51 0.71 0.69

268.944 329.388 355.780 329.388 355.780

0.73 0.71 0.65 0.75 0.60

268.944 329.388 355.780 329.388 355.780

0.94 0.85 0.65 0.97 0.94

Tabla 13. Datos de comparación para correlacionar el efecto de la separación

Metodología de diseño Partiendo del diseño por flexión de la sección compuesta por el perfil de acero y la placa de concreto, realizado de acuerdo con la NSR-98, se diseñan los conectores de cortante por el siguiente procedimiento: a) Selección de un diámetro f de conectores y se conocen los valores nominales de: • Resistencia de los materiales (f’c, Ec, Fy, Fu) • Geometría de la sección (Ac, A s) • Solicitación máxima a cortante ( Vu) b) Cálculo de la fuerza máxima de corte inducida por flexión en la placa de concreto de acuerdo con la NSR-98. c) Cálculo de la fuerza máxima de compresión asistida por el perfil metálico según la NSR-98. d) Identificación del valor de carga de falla CF como el menor entre los calculados en los pasos b y c. e) Cálculo de la resistencia de un conector para la falla del concreto. f) Cálculo de la resistencia de un conector para la falla del acero. g) Identificación del valor de falla Qn como el menor entre los calculados en los pasos e y f. h) Cálculo del número de conectores de acuerdo con la NSR-98. i) Revisión de la resistencia de la soldadura, que debe ser mayor que el cortante de solicitación. j) Revisión de la fuerza cortante resistida por la sección ( Vn), que es superior a la fuerza cortante de solicitación ( Vu). k) Cálculo de la separación de los conectores. l) Revisión de las separaciones límite de conectores de acuerdo con los requisitos de la NSR-98.

con el tipo de falla que pueda presentar la sección: diámetros menores conllevan una falla dúctil generada por rotura de la soldadura. Para diámetros mayores se presenta una falla frágil ocasionada por agrietamiento del concreto. • La rigidez de las probetas se ve directamente afectada por la cantidad de conectores que tenga la sección compuesta. De esta manera, a mayor cantidad de tornillos se reduce la deformación en los mismos por traslapo de las zonas de aferencia de cada conector, induciéndose más rápidamente la fisura del concreto y provocándose así la falla frágil. Una menor cantidad de conectores implica mayor ductilidad de la sección. • Debe existir una separación mínima de conectores que permitan trabajo de sección compuesta y un espaciamiento máximo de conectores, que no conduzca a sobreprecios ni a fallas frágiles. • La carga de falla esperada a partir del planteamiento de la NSR-98 para espigos estuvo siempre por debajo de la obtenida en los ensayos, llegando hasta un 30%, independientemente del modo de falla que se presentara. Así, se acerca mucho más a la carga máxima elástica, lo que es coherente si se asume el diseño de los conectores tipo tornillo en el rango elástico con el mismo planteamiento presentado para espigos. • Los comportamientos (elástico e inelástico) de las probetas y su carga de falla están directamente relacionados con la separación entre conectores y su diámetro, debido al aporte de las características del acero y a la limitada capacidad inelástica que puede desarrollar el concreto, donde estas variables son independientes entre sí. De esta manera se podría inducir a la falla frágil de la sección teniendo corta separación entre los mismos, tornillos de gran diámetro o una combinación de las anteriores causas.

Nomenclatura Ac = Sección transversal del conector tipo tornillo [m2] As = Sección transversal del perfil metálico [m2] Asol = Sección transversal de la soldadura [m2] fy, sy = Esfuerzo de fluencia del acero [MPa] E = Módulo de elasticidad del acero [MPa] E’ = Módulo de elasticidad del acero en la zona de endurecimiento [MPa] Ec = Módulo de elasticidad del concreto [MPa] f’c = Resistencia a la compresión del concreto [MPa] n = Número de conectores S = Separación entre conectores tipo tornillo [m] f = Diámetro del conector tipo tornillo [m] u = Relación de Poisson del acero

Conclusiones • El aporte de los conectores de cortante tipo tornillo a la capacidad estructural de la sección compuesta se refleja en que, a medida que aumenta su diámetro se reducen su deformación y su desplazamiento. Este efecto está directamente relacionado

Construcción Metálica 9

Autores Xavier Fernando Hurtado A. Ingeniero civil de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá, M Sc en Estructuras. Maritzabel Molina H. Profesora asociada de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá. Dorian Luis Linero S. Profesor asistente de la Universidad Nacional de Colombia, Bogotá.