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Tipo: Diapositivas
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1.2 Utilización. La combinación de materiales de construcción más importante y más frecuentemente empleada tanto en edificación como en la construcción de puentes es la de acero y hormigón [2]. El general, esta combinación no afecta sustancialmente al análisis de la estructura, puesto que para ello se descompone en partes homogéneas y la terminología habitual de estructuras de acero y hormigón armado, con sus correspondientes criterios de diseño y cálculo, resulta aceptable. Pero en otras ocasiones, la integración es más estrecha afectando a los elementos básicos que
va a referir en este proyecto, las estructuras mixtas de hormigón y acero, que se pueden justificar por la optimización en el comportamiento de componentes.
A pesar de ser muy diferentes en su naturaleza, estos dos materiales se complementan dado que:
El diseño integral de una estructura implica no sólo la optimización de la resistencia para las cargas máximas, su rigidez y su ductilidad, sino también la consideración de aspectos como los de tipo arquitectónico, económico, constructivo o de utilización de las vigas, losas y pilares.
1.2.1.1 Aspectos arquitectónicos. Diseñar con estructuras mixtas ofrece muchas variaciones arquitectónicas pudiendo combinar diferentes tipos de elementos mixtos. Además de reducciones en las dimensiones de las vigas, se consiguen:
1.2.1.2 Aspectos económicos. Como consecuencia de poder disponer de menores dimensiones en las piezas (una mayor rigidez implica menores deformaciones, mayores vanos y menor peso global), y de poder llevar a cabo un montaje más rápido, el potencial de ahorro económico es enorme. La relación luz canto de la losa (l/h=35) puede resultar beneficiosa:
Las estructuras mixtas son fáciles de montar y precisan menores tiempos de construcción
1.2.1.5 Ensamblaje. Los forjados mixtos son hoy en día la propuesta preferida para un amplio rango de estructuras, proporcionando al diseñador y clientes las siguientes ventajas:
Es necesario emplear piezas mixtas en el diseño, para beneficiarse de las ventajas disponibles. Así las estructuras mixtas presentan una mayor rigidez y capacidad de carga para las mismas dimensiones comparadas con el acero solo.
Viga Mixta Viga sin conexión a rasante Sección de Acero
IPE 400 IPE 550 HEB 360
Altura constructiva (mm)
560 710 520
Capacidad de carga
100% 100% 100%
Peso de Acero
100% 159% 214%
Altura relativa
100% 127% 93%
Rigidez 100% 72% 46%
En la tabla anterior se compara una viga mixta con dos tipos de vigas de acero sin conexión de rasante alguna a la losa de hormigón. La capacidad de carga es prácticamente la misma pero se aprecian diferencias en la rigidez y la altura constructiva.
Entonces comparando estos dos métodos, vemos que una combinación de ambos conduciría al camino más económico. Más que tomando solamente las ventajas de cada método incluso nuevas ventajas pueden alcanzarse. Así por ejemplo, en la construcción mixta se pueden alcanzar mayores capacidades de compresión que en el acero o en el hormigón. Pero también la rigidez y la redistribución plástica se pueden mejorar combinando el acero estructural con el hormigón. Por un lado esto permite utilizar las reservas plásticas del sistema y por el otro reducir los coeficientes de seguridad debido a la ductilidad inherente de los modos de fallo. Hablando sobre la construcción mixta debería mencionarse que en muchos casos realmente la tecnología de edificación mixta es la solución más eficiente. Estrictamente pieza mixta significa la interacción de dos materiales en un elemento estructural (por ejemplo, un pilar de acero tubular relleno de hormigón) mientras que la filosofía de la edificación mixta incluye la combinación de elementos o piezas estructurales elaborados con diferentes métodos constructivos (por ejemplo, pilar de hormigón en combinación con una viga mixta y un forjado prefabricado).
1.3 Reseña histórica. El acero corrugado, antecesor de la chapa de acero actual, fue patentado en 1829. La idea de dar forma al acero en delgadas láminas con ondulaciones que le aportan rigidez la tuvo Henry Robinson Palmer. No obstante, las losas mixtas no aparecieron hasta finales de la década de 1930 para sustituir las losas de hormigón armado, ya que aportaban una notable reducción de carga. En los comienzos se asumieron ciertos criterios que simplificaban la interacción de la losa de hormigón y la viga de acero. Las estructuras mixtas no eran proyectadas como tales o, simplemente se disponían las secciones parciales de acero y hormigón sin elementos conectadores. Los soportes metálicos se recubrían de hormigón como protección frente al fuego, y hasta tal punto se despreciaba la resistencia del hormigón, que los soportes metálicos se diseñaban para resistir el peso adicional del hormigón. Es en 1.950 cuando por primera vez en San Luis (EE.UU.) se patenta un sistema mixto chapa hormigón que para conseguir la adherencia entre los dos elementos incorpora una serie de hilos de acero soldados transversalmente a la chapa. A partir de ese momento, determinados fabricantes ponen en el mercado chapas nervadas, es decir sin ningún tipo de embutición o indentación, por lo que generalmente necesitaban de mallas soldadas o elementos similares para lograr la acción mixta chapa-hormigón. La aparición de algunas normas como la británica BS449 de 1959; los estudios experimentales desarrollados por diversos autores en Inglaterra así como lo diversos artículos aparecidos en la revista especializada dieron pie a la publicación en España en 1966, de la primera obra dedicada íntegramente a la construcción mixta. En dicha publicación se propone el cálculo de las estructuras mixtas mediante análisis elástico, y la comprobación de las secciones mediante el criterio de tensiones admisibles [13]. Los estudios teóricos y experimentales desarrollados en años posteriores condujeron a la aparición en nuestro país de una nueva obra, donde se recogen las modernas técnicas de cálculo de agotamiento, las cuales relegan a los métodos elásticos a la comprobación en servicio.
2.1 Elástico. El análisis global elástico puede realizarse incluso cuando las propiedades de la sección se basen en su resistencia plástica o no lineal, que es independientemente de la clase sección. Para estado límite de servicio se debe utilizar análisis elástico, con las correcciones apropiadas debidas a efectos no lineales como la fisuración, fluencia y retracción del hormigón. El análisis elástico puede ser usado en todos los casos, habiendo definido previamente las propiedades de la sección transversal homogénea, usando el coeficiente equivalencia que relaciona los módulos de elasticidad de acero y del hormigón ܧ ൌ ߟ ܧ/. Por lo tanto, para la losa de hormigón se considerará un área equivalente a la de acero, de valor ܣ (^) ߟ/. Así mismo hay que tener en cuenta las propiedades de la sección fisurada y no fisurada, ya que la disminución de la rigidez una vez que el hormigón se ha fisurado es considerable.
El EC4 permite dos tipos de análisis:
Clase (M-) 1 2 3 4 Análisis elástico no fisurado. 40% 30% 20% 10% Análisis elástico fisurado. 25% 15% 10% 0%
En este análisis no se tienen cuenta el efecto del deslizamiento en la superficie de contacto entre el hormigón y acero.
En el hormigón, además, hay que tener en cuenta otros aspectos, que se contemplan en el EC como:
3.1 Hormigón. La particularidad que introduce este material en las estructuras mixtas es que, en su deformación, se distinguen componentes dependientes de las cargas exteriores e independientes a estas. A su vez, ambas pueden ser instantáneas o dependientes del tiempo.
La calidad de un hormigón queda definida por su resistencia característica a compresión ݂ medida en probeta cilíndrica a 28 días de edad; este valor será, 20 ܰ ݉݉/ ଶ^ y no deben emplearse los de clase superior a C50/60, salvo justificación especial sin que se indiquen reglas para ello.
Las clases de hormigón especificadas por EC4 se recogen en la tabla siguiente:
Clase de Hormigón C20/25 C25/30 C30/37 C35/40 C40/45 C45/55 C50/ f ck 12 16 20 25 30 35 40 45 50 f ctm 1.6 1.9 2.2 2.6 2.9 3.2 3.5 3.8 4. f ctk 0.05 1.1 1.3 1.5 1.8 2.0 2.2 2.5 2.7 2. f ctk 0.95 2.0 2.5 2.9 3.3 3.8 4.2 4.6 4.9 5. E cm 26 27.5 29 30.5 32 33.5 35 36 37
f ck Resistencia característica a compresión (probeta cilíndrica) en N/mm 2. f ctm Valor medio de la resistencia a tracción, en N /mm 2. Puede obtenerse mediante la fórmula; ݂௧ ൌ 0.30 ඥሺ݂య^ ଶ^ ሻ. f ctk 0.05 Valor característico (cuantil 0.05) de la resistencia a tracción, en N/mm 2. Puede obtenerse mediante la fórmula; ݂௧ .ହ ൌ 0.21 ඥሺ݂య^ ଶ^ ሻ. f ctk 0.95 Valor característico (cuantil 0.95) de la resistencia a tracción, en N/mm 2. Puede obtenerse mediante la fórmula; ݂ ௧ .ଽହ ൌ 0.239 ඥሺ݂య^ ଶ^ ሻ. E cm Módulo de elasticidad secante medio para cargas instantáneas, en N/mm 2. Puede obtenerse mediante la fórmula; ܧ ൌ 9500 ඥሺ݂య^ 8ሻ.
En casos normales, para la deformación por retracción libre a tiempo infinito desde el fraguado ߝ௦ pueden adoptarse los valores;
En ambiente seco (dentro o fuera de edificios, excluidos elementos rellenos hormigón); ߝ௦ ൌ 350 10ି^. En otros ambientes y en elementos rellenos; ߝ௦ ൌ 250 10ି^.
Para tener en cuenta la fluencia basta con sustituir en el cálculo el área del hormigón ܣ (^) por otra equivalente de acero de valor ܣ (^) ݊/ , siendo ݊ el coeficiente que relaciona los módulos de elasticidad:
ᇱ
A efectos de cálculo, se puede sustituir por otro simplificado: Para análisis estructural no lineal o plástico y para efectos de segundo orden con cargas de corta duración, puede utilizarse el siguiente:
Definido por el módulo de elasticidad ܧ,, la resistencia a compresión ݂ y la deformación ߝଵ correspondiente a esta valor. En él, como simplificación, se puede tomar un valor constante de ߪ ݂ൌ (^) en el intervalo; ߝଵ ߝ ߝ ଶ.
El gráfico corresponde la relación:
Válida cuando 0 ߝ ߝ ௨ , siendo,
E c,nom Valor medio del módulo de elasticidad E cm. εcu Deformación última de la fibra extrema comprimida, sus valores medios en función del tipo hormigón se indican en la siguiente tabla: Clase de Hormigón
C20/25 C25/30 C30/37 C35/40 C40/45 C45/55 C50/ f ck 12 16 20 25 30 35 40 45 50 εu · 10 -3^ -3.6 -3.5 -3.4 -3.3 -3.2 -3.1 -3.0 -2.9 -2.
Para análisis de la sección la idealización más usada que es el diagrama parábola rectángulo, cuyo valor máximo ߝ௨ toma 3.5 ‰; el diagrama de cálculo se obtiene reduciendo la tensión por un factor ߛ/ߙ , siendo;
γc Coeficiente parcial de seguridad del hormigón. α (^) Coeficiente que tienen cuenta el cansancio del hormigón por compresión y los efectos desfavorables por la forma de aplicar la carga; generalmente se adopta 0.85 para compresiones permanentes.