• Compuesto generalmente quiere decir el uso de dos materiales diferentes en elementos estructurales
• Ejemplo: el Concreto Reforzado
o Concreto para resistir compresión o Acero de refuerzo para resistir tensión • Ejemplo: Compuesto de Fibra de Carbón
o Fibra de Carbón para resistir tensión
o Resina de Epóxico para fijar las fibras en su lugar
• En el contexto de diseño de puentes, la frase ‘viga compuesta’ se refiere al uso de dos materiales diferentes para la losa y la viga.
o Viga de Concreto Presforzado (concreto de alta resistencia) con Losa de Concreto Reforzado (concreto de resistencia normal)
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La viga de concreto presforzado resiste la tensión La losa de concreto reforzado resiste la compresión • Tipos de secciones compuestas:
¿Porque secciones compuestas?
• El uso de elementos prefabricados tiene sus beneficios: o Ahorran tiempo
o Mejor control de calidad o Es mas barato
• El uso de la losa de concreto reforzado también tiene sus beneficios o Suministra continuidad entre los elementos
o El control de calidad en losas no es tan significativo
Propiedades de la Sección Compuesta • Se utilizan 3 anchos diferentes:
o Ancho real de la sección compuesta (b): es igual al espaciamiento entre vigas.
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o Ancho efectivo de la sección compuesta (be) o Ancho transformado de la sección compuesta (btr)
• Ancho Efectivo
o La distribución de esfuerzos a través del ancho no es uniforme, entre mas apartado del centro, menores los esfuerzos.
o Para simplificar el análisis, asumimos un ancho efectivo dentro del cual los esfuerzos son constantes.
o También asumimos que ese ancho efectivo es constante a lo largo del claro.
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Viga Exterior Viga Interior
, 2, 2 6 /8 12 /4 • Ancho Transformado
o Comúnmente el concreto usado para losas tiene resistencia menor que la del concreto usado para la sección prefabricada.
o Menor resistencia – menor modulo de elasticidad
o Entonces, necesitamos usar el concepto de sección transformada para transformar el material de la losa al material de la sección prefabricada
, ,
, ,
: relación modular, usualmente < 1.0
• Después de obtener la sección transformada, podemos calcular otras propiedades de las secciones.
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o o o
Diseño de Secciones Compuestas – Diseño a la Resistencia
• La mayoría de las teorías y métodos previamente estudiados para secciones no compuestas todavía son válidos pero con algunas modificaciones.
• La resistencia última (o capacidad) de secciones compuestas se obtiene con un método similar al usado para secciones ‘T’. Algunas claves para el análisis son:
o Cuando el eje neutro se localiza en la losa, podemos usar una sección ‘T’ compuesta con ancho de patín igual al ancho efectivo y usando el de la losa.
o Cuando el eje neutro se localiza en la sección prefabricada, podemos usar una sección transformada y usando el de la sección prefabricada. Este
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análisis es aproximado, pero los errores que da al calcular la capacidad son pequeños.
Transferencia de Cortante en la Interfaz
• Para asegurar que el comportamiento compuesto funcione en la estructura, es muy importante que la losa y la viga no se deslicen la una con respecto a la otra.
• El parámetro clave que determina si los dos componentes se deslizarán o no es la resistencia a cortante en la interfaz entre la losa y la viga.
• Esta resistencia a cortante en la interfaz proviene de: o Fricción
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• La cohesión es la adherencia química entre dos materiales. Depende del factor de cohesión (c) y el área de contacto. Entre mayor el área, mayor la fuerza de cohesión.
• La fricción se debe a la rugosidad de la superficie. Depende del factor de fricción o coeficiente de fricción ( ) y la fuerza normal (N). Para aumentar la fricción, tenemos que hacer la superficie más rugosa, o incrementar la fuerza normal.
• La resistencia nominal a cortante en la interfaz de dos concretos fundidos en diferentes momentos se toma como (AASHTO LRFD 5.8.4):
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0.2 5.5 donde:
o : área de transferencia de cortante o : coeficiente de cohesión
o : coeficiente de fricción
o : área de refuerzo a cortante que atraviesa el plano de cortante o : fuerza de compresión perpendicular al plano de cortante • Valores por AASHTO
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• La fuerza normal en la formula de la fricción proviene de dos partes: o Fluencia del acero por cortante
Si aparecen grietas en la interfaz, no habrá ninguna tensión en el refuerzo que cruza la interfaz. Esta fuerza de tensión en el acero es balanceada por la fuerza de compresión en el concreto en la interfaz, creando con esto una fuerza normal a la interfaz.
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o La fuerza de compresión permanente en la interfaz El peso de la losa y la superficie de desgaste No hay contribución de la carga viva
Refuerzo Mínimo a Cortante
• Para secciones con Vn/Acv > 0.7 MPa, el área de la sección transversal del refuerzo
por cortante que cruza la interfaz por unidad de longitud de la viga no debe ser menor que:
0.35
: ancho de la interfaz (generalmente igual al ancho del patín superior de la viga) • Si da menor, entonces no podemos usar el término para obtener la
resistencia a cortante nominal.
• El espaciamiento del refuerzo a cortante debe ser menor o igual a 600 mm. • Posibles configuraciones de refuerzo:
o Una barra
o Estribos (de múltiples piernas) o Cables soldados
• El refuerzo debe ser adecuadamente anclado (con dobleces, ganchos, etc.) Fuerza Cortante de Diseño en la Interfaz
• Se utilizan dos métodos para calcular la fuerza cortante por unidad de longitud en la interfaz (que pueden dar valores diferentes)
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∆ donde:
∆ : fuerza cortante factorada que actúa en la sección compuesta.
: Momento del área arriba del plano de cortante, con respecto al centroide de la sección compuesta.
: Momento de inercia de la sección compuesta. o Usando fórmula aproximada (AASHTO C5.8.4.1-1):
donde:
: Fuerza cortante vertical total en la sección
: Distancia del centroide del acero a tensión a la mitad de la altura de la
losa.
• La sección crítica por cortante en la interfaz es generalmente la sección donde la cortante vertical es máxima.
o Sección crítica: a una distancia h/2 del apoyo
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Sugerencias adicionales para diseño
• Para secciones ‘T’ y cajones que cubren totalmente el espaciamiento entre vigas con una capa de concreto (usualmente de 50 mm), es posible que no se necesite ningún refuerzo por cortante (solo rugosidad en la superficie).
• Para secciones ‘I’, generalmente se requiere algún refuerzo por cortante en la interfaz.
• Generalmente se diseña el refuerzo a cortante para el alma (como se aprendió en el curso ‘Estructuras de Concreto I’) y se extiende ese refuerzo a cortante a través de la interfaz. Entonces se revisa si el área es suficiente para la transferencia de cortante horizontal en la interfaz.
o Si no, se necesita refuerzo adicional.
o Si suficiente, no se necesita ninguna medida adicional.
Notas Finales en Comportamiento Compuesto
• Secciones compuestas no solo son usadas para secciones de concreto presforzado, también son usadas para secciones de acero.
• Los beneficios principales es que la losa ayuda a resistir compresión, prevenir pandeo por torsión lateral de la sección de acero, y prevenir pandeo local en el patín a compresión.
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• El concepto de análisis es similar al usado para concreto presforzado. También se considera un ancho efectivo y una sección transformada. Y la transferencia de cortante en la interfaz.
• La transferencia de cortante en la interfaz acero-concreto se puede obtener de varias maneras:
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• El pin para cortante es uno de los conectores para cortante más comunes. Se suelda al patín superior de la viga de acero.