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Elemento estructural mixto de hormigón y madera. Análisis estructural y criterios de diseño

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Academic year: 2021

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(1)ELEMENTO ESTRUCTURAL MIXTO DE HORMIGÓN Y MADERA. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y CRITERIOS DE DISEÑO. Bernardo Martínez Juan.

(2) DEPARTAMENTO DE INGENIERIA CIVIL ESCUELA POLITECNICA SUPERIOR. ELEMENTO ESTRUCTURAL MIXTO DE HORMIGÓN Y MADERA. ANÁLISIS ESTRUCTURAL Y CRITERIOS DE DISEÑO. BERNARDO MARTINEZ JUAN. Tesis presentada para aspirar al grado de DOCTOR POR LA UNIVERSIDAD DE ALICANTE. PROGRAMA DOCTORADO: INGENIERIA DE MATERIALES, ESTRUCTURAS Y TERRENO: CONSTRUCCIÓN SOSTENIBLE. Dirigida por: RAMÓN IRLES MÁS, Catedrático de Universidad.

(3) AGRADECIMIENTOS. Leyendo éstas páginas el lector deducirá dos hechos evidentes: por un lado que el autor de éste trabajo ha necesitado mucha ayuda, sobre todo en la confección de amasadas de hormigón y en el manejo del instrumental de laboratorio, y por otro que ha sido necesario dedicar una enorme cantidad de tiempo, tanto a la realización de ensayos, como al estudio y la redacción de la tesis. Quiero por tanto agradecer la ayuda, apoyo, compañerismo y comprensión de las siguientes personas: - Al Departamento de Ingeniería Civil, que ha puesto sus instalaciones a mi servicio para la realización de los ensayos. -A Gabi, Pedro Arias y Victor, personal del laboratorio del Departamento de Ingeniería Civil. Sin vosotros habría sido imposible confeccionar hormigones, y además, Pedro ha sido un bastión cuando he tenido momentos en los que pensaba que no podía seguir adelante. - A Juan Carlos Pomares, y Antonio Gonzalez, que en los primeros años de investigación colaboraron en la confección de las probetas y los prototipos a escala real, y me proporcionaron los contactos para abastecernos de materiales y poder continuar con la investigación. - Al profesorado que ha prestado su ayuda con el programa Mathemática en la resolución numérica de la ecuación diferencial no lineal que rige el comportamiento de la conexión en régimen elastoplástico. Y de manera especial quiero agradecer: - A mi padre, que desde ahí arriba sé que me ha apoyado y aconsejado, aunque yo a veces no le hiciera demasiado caso. - A Javier Pastor, mi socio, una de las mejores personas que he conocido. Sin ti no habría podido llevar la oficina y la tesis al mismo tiempo. - A mi esposa Ana y a mi hijo Álvaro. Por la inmensa cantidad de tiempo que os he robado para realizar esta tesis. Especialmente a mi esposa por sus buenos consejos a los que yo a veces tampoco hice demasiado caso. El tiempo demuestra que al final tenías razón. Gracias Ana por aguantarme en mi equivocación. - Y a mi Director de tesis Ramón Irles Más. A todos ellos, gracias..

(4) INDICE 0.- RESUMEN ....................................................................................................................... 1. 1.. INTRODUCCIÓN:........................................................................................................ 5 1.1.. El precedente: La estructura mixta hormigón-acero.............................................. 6. 1.2.. Tipos de conectadores en estructuras mixtas hormigón-acero: ............................. 8. 1.3.. La estructura mixta hormigón-madera ................................................................ 13. 1.4.. Tipos de conectadores en estructuras mixtas hormigón-madera: ........................ 15. 2.. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS: ...................................................................................... 22. 3.. ESTADO DE LA CUESTIÓN .................................................................................... 26 3.1.-. NORMATIVA ................................................................................................. 26. 3.1.1.- Normativa europea. .......................................................................................... 26 3.1.2.- Normativa española. ......................................................................................... 27 3.2.- INVESTIGACIONES Y ARTICULOS PUBLICADOS EN RELACION A CONEXIONES HORMIGÓN-MADERA ...................................................................... 27 3.2.1.- Conectadores en general................................................................................... 27 3.2.2.- Conectadores a axil .......................................................................................... 36 3.3.-. TESIS DOCTORALES PREVIAS ..................................................................... 36. 3.4.-. PATENTES. ....................................................................................................... 37. 3.5.-. CONECTORES DE CASAS COMERCIALES ................................................. 37. 3.6.- MARCO DE REFERENCIA DEL COMPORTAMIENTO DE CONECTORES . 39 3.6.1.- Conectores hormigón - acero ........................................................................... 39 3.6.2.- Conectores hormigón - madera ........................................................................ 41. 4.. INVESTIGACION REALIZADA Y RESULTADOS ............................................... 45 4.1.- PLANIFICACIÓN DE ENSAYOS. ....................................................................... 45 4.2.- CRONOLOGÍA DE ENSAYOS............................................................................. 47 4.3.- ENSAYOS PREVIOS CON EL MATERIAL NECESARIO. ............................... 49 4.3.1.. Ensayos relativos al tirafondo...................................................................... 49.

(5) 4.3.2.. Ensayos relativos a la madera...................................................................... 61. 4.4.- ENSAYOS PULL-OUT EN PROBETAS CON CONEXIONES (I). .................... 70 4.4.1. Justificación de la probeta ............................................................................... 70. 4.4.2. Ensayos pull-out en probetas con conexiones tipo 1: ...................................... 73. 4.4.3. Ensayos pull-out en probetas con conexiones tipo 2: ..................................... 76. 4.5.- ENSAYOS BIAXIALES EN PROBETAS SIN CONEXIONES: ROZAMIENTO. ......................................................................................................................................... 81 4.5.1.. Ensayo de prueba con varilla roscada. ........................................................ 82. 4.5.2.. Ensayos biaxiales de rozamiento. probetas roza ......................................... 83. 4.6.. ENSAYOS PULL-OUT EN PROBETAS CON CONEXIONES (II). ............... 87. 4.6.1.. Ensayos pull out en probetas con conexiones tipo 3: .................................. 87. 4.7. COMPARACIÓN DE LOS RESULTADOS OBTENIDOS FRENTE A OTROS CONECTORES PREVIOS ............................................................................................. 92 4.8.. 5.. ENSAYOS EN PROTOTIPO A ESCALA REAL.............................................. 96. 4.8.1.. Forjado mixto 1. F1 ..................................................................................... 96. 4.8.2.. Forjado mixto 2. F2 ................................................................................... 100. MODELO MATEMATICO ...................................................................................... 105 5.1.. Planteamiento .................................................................................................... 105. 5.2.. Solución ............................................................................................................. 111. 5.3.. Interpretacion del ensayo del prototipo 1 ......................................................... 112. 6.. CONCLUSIONES Y LINEAS DE INVESTIGACION ABIERTAS....................... 127. 7.. ANEJOS .................................................................................................................... 133 7.1. - Cálculo de módulos elásticos a flexión Ef y tracción Et de la madera aserrada. . 133 7.2. - Cálculo de la tensión de rotura a tracción de la madera aserrada ........................ 136 7.3. - Cálculo de módulos elásticos a flexión Ef y tracción Et de la madera laminada. 143 7.4. - Cálculo de la tensión de rotura a tracción de la madera laminada ....................... 145 7.5. - Modelo matemático .............................................................................................. 152. 8.. BIBLIOGRAFIA ....................................................................................................... 158.

(6) CAPITULO 0: RESUMEN.

(7) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. 0.‐ RESUMEN El interés por las estructuras mixtas de hormigón y madera está plenamente justificado por su aplicación técnica en rehabilitación de forjados antiguos de madera, en nuevos forjados o en cualquier otra tipología estructural al amparo, entre otros, de criterios ambientales y de sostenibilidad, al ser la madera un material de menor coste energético que los clásicos hormigón o acero. En éste tipo de estructuras la conexión entre materiales es la que hace posible el trabajo conjunto de todos ellos. En la presente tesis se ha realizado una revisión pormenorizada de las características mecánicas de los conectores utilizados para este tipo de estructuras, en términos de resistencia a esfuerzo rasante, rigidez y modo de rotura, encontrando que estas propiedades mecánicas son manifiestamente mejorables. A partir de una idea preconcebida, se realizan ensayos con el material necesario y se desarrolla el diseño de un nuevo conector que, colocado inclinado respecto del plano de contacto entre materiales, trabaja a flexotracción y supera los inconvenientes de los precedentes. Se analiza con detalle cuáles han de ser sus características geométricas y cuáles son las propiedades mecánicas de la conexión resultante. Se comparan estas propiedades con las de algunas de las conexiones precedentes encontrando que su resistencia por unidad de área es superior a la de cualquier conexión anterior. Además con dicha disposición se moviliza un rozamiento en el plano de contacto que es en parte responsable de esas altas propiedades mecánicas conjuntas Mediante otra serie de ensayos se evalúa experimentalmente la magnitud del coeficiente de rozamiento para distintos acabados superficiales y sucesivos ciclos de carga. Se obtiene que la resistencia a rasante aportada por el rozamiento potencial puede llegar a ser del mismo orden que la propia resistencia del elemento en la dirección del deslizamiento. Se han fabricado dos prototipos de forjado mixto a escala real unidos con las conexiones diseñadas y se ensayan a flexión simple analizando su comportamiento, registrando en ambos casos las flechas resultantes en centro de vano A partir de la teoría clásica de estructuras mixtas, se ha desarrollado un modelo matemático para el comportamiento a flexión del forjado con conexiones cuyo comportamiento rasante-deslizamiento se encuentra en rango elástico lineal, elastoplástico o plástico. Se ha aplicado a la conexión diseñada y, a pesar de las hipótesis realizadas para su desarrollo, el modelo predice con suficiente aproximación las flechas observadas y es, por tanto, una buena herramienta de diseño de los forjados de hormigón-madera.. Capítulo 0: Resumen. Pag 1.

(8) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. ABSTRACT Concrete and timber composite structures have interest by two reasons. First is its technical application in rehabilitation of old wooden floors, new floors or any other structural type and second is its environmental respect and sustainability because of wood energy cost is lower than concrete or steel one. In such structures the connection between materials is what makes the set of all work possible. In this thesis it has conducted a detailed review of the mechanical characteristics of the connectors used for this type of structures, in terms of shear stress strength, stiffness and breaking mode, finding these mechanical properties clearly improvable. From a preconception, tests with the necessary material are performed and design of a new connector are developed. The connection, placed inclined to the contact plane between materials works mainly flexotraction and overcomes the disadvantages of the preceding ones. The thesis analyzes in detail what should be their geometrical characteristics and what are the resulting mechanical properties. These properties are compared with those of some preceding connections finding its resistance per unit area higher than any previous connection. By placing the connector in an upright position one friction in the contact plane is mobilized when a mixed beam is deflected. This rubbing is partly responsible for such high mechanical properties. In another series of tests the magnitude of the friction coefficient for different surface roughness and successive charging cycles was experimentally measured. It is obtained that shear resistance provided by the potential friction can be of the same order as the inherent strength of the element in the sliding direction. Two prototypes of full-scale composite floor together with connections designed were manufactured. They was tested to simple bending analyzing their behavior, and taking measurements of the deflection at midspan in both cases Starting from the classical theory of composite structures, it has been developed a mathematical model for the flexural behavior of connected floors which shear-slip behavior is in linear-elastic, elastic-plastic or plastic range. It has been applied to the designed connection and, despite the assumptions made for their development, model predicts with sufficient approximation the observed deflection and it is therefore a good tool for concrete-wood floors design.. Capítulo 0: Resumen. Pag 2.

(9) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. RESUM L'interés per les estructures mixtes de formigó i fusta està plenament justificat per la seua aplicació tècnica en rehabilitació de forjats antics de fusta, en nous forjats o en qualsevol altra tipologia estructural a l'empara, entre altres, de criteris ambientals i de sostenibilitat, al ser la fusta un material de menor cost energètic que els clàssics formigó o acer. En aquest tipus d'estructures la connexió entre materials és la que fa possible que aquestos treballen conjuntament. En la present tesi s'ha realitzat una revisió detallada de les característiques mecàniques dels connectors utilitzats per a este tipus d'estructures, en termes de resistència a esforç rasant, rigidesa i mode de ruptura, trobant que aquestas propietats mecàniques són manifestament millorables. A partir d'una idea preconcebuda, es realitzen assajos amb el material necessari i es desenrotlla el disseny d'un nou connector que, col·locat inclinat respecte del pla de contacte entre materials, treballa a flexotraccio i supera els inconvenients dels precedents. S'analitza amb detall quines han de ser les seues característiques geomètriques i quines són les seues propietats mecàniques resultants. Es comparen aquestes propietats amb les d'algunes de les connexions precedents trobant que la seua resistència per unitat d'àrea és superior a la de qualsevol connexió anterior. A més amb la dita disposició es mobilitza un fregament en el pla de contacte que és en part responsable d'eixes altes propietats mecàniques conjuntes Per mitjà d'una altra sèrie d'assajos s'avalua experimentalment la magnitud del coeficient de fregament per a distints acabats superficials i successius cicles de càrrega. S'obté que la resistència a rasant aportada pel fregament potencial pot arribar a ser del mateix orde que la pròpia resistència de l'element en la direcció del lliscament S'han fabricat dos prototips de forjat mixt a escala real units amb les connexions dissenyades i s'assagen a flexió simple analitzant el seu comportament, registrant en ambdós casos les fletxes resultants en centre de va A partir de la teoria clàssica d'estructures mixtes, s'ha desenrotllat un model matemàtic per al comportament a flexió del forjat amb connexions el comportament rasant del qual es troba en rang elàstic lineal, elastoplàstic o plàstic. S'ha aplicat a la connexió dissenyada i, a pesar de les hipòtesis realitzades per al seu desenrotllament, el model prediu amb suficient aproximació les fletxes observades i és, per tant, una bona ferramenta de disseny dels forjats de formigó-fusta.. Capítulo 0: Resumen. Pag 3.

(10) CAPITULO I: INTRODUCCION.

(11) Tesis doctoral. 1.. Bernardo Martínez Juan. INTRODUCCIÓN:. Desde el punto de vista mecánico, es conocido que las estructuras mixtas suponen grandes ventajas en relación a las estructuras formadas por dos materiales superpuestos sin conexión. En las estructuras formadas por elementos de materiales con módulos elásticos diferentes, superpuestos y no conectados, el comportamiento de cada material se produce por separado. En el caso de una flexión pura (o una flexión simple o compuesta si se desprecian las deformaciones por cortante), cada una de las piezas adopta distinta curvatura χi =1/ρ = M/Ei·Ii con tendencia al despegue entre materiales, y los diagramas tensionales resultantes suponen que en cada uno de los materiales se producen tracciones y compresiones por separado, dando como resultado que los materiales están muy lejos aprovechar toda su capacidad mecánica. Figura 1 Además, no se genera un axil resultante en cada uno de los materiales, pues al no haber conexión, no hay rasante que lo pueda transmitir. Figura 1 Comportamiento de un elemento estructural mixto a flexión sin conectar. La génesis de las estructuras mixtas resulta de la consecuencia lógica del aprovechamiento máximo de las características peculiares de los materiales que compongan este tipo de estructuras.. 1.. Introducción. Pág 5.

(12) Tesis doctoral. 1.1.. Bernardo Martínez Juan. El precedente: La estructura mixta hormigón-acero.. Cuando se trata de estructuras mixtas de hormigón y acero, se busca aprovechar las características del hormigón (sólo, armado o armado y pretensado) como material con suficiente rigidez, ductilidad y resistencia a compresión y las del acero como material con rigidez, ductilidad y resistencia suficiente a tracción, dando lugar a secciones transversales mixtas. Esta idea no es nueva, pues la observamos en el hormigón armado y pretensado (en los que los materiales se unen por adherencia). Pero sí es nueva la forma de llevarse a cabo, que se concreta mediante conexiones, que tienen, por tanto, una importancia decisiva en el comportamiento final global. En caso de elementos flexionados, al materializar la pieza mixta adecuadamente dimensionada y conectada, se evita el despegue, se unifica la curvatura, y se consiguen distribuciones tensionales que ahora sí que aprovechan en mayor grado las características resistentes de los materiales que la conforman, con el consiguiente ahorro económico respecto a la estructura sin conectar. En la junta entre los dos materiales se materializa un rasante, que debe ser resistido por los elementos de conexión. Si la conexión es infinitamente rígida (situación llamada de interacción completa o conexión total), la flecha, el rasante y la distribución tensional son independientes de la rigidez de esa conexión. Figura 2. Figura 2 Comportamiento de un elemento estructural mixto conectado a flexión con interacción completa. Ahora sí se genera un axil resultante en cada uno de los materiales, generando, en casos de flexión pura o flexión simple, un par Nc (axil en el hormigón), Ns (axil en el acero) que se transmite de un material a otro por medio del esfuerzo rasante en el plano de contacto. Ese rasante ha de ser transmitido por las conexiones.. 1.. Introducción. Pág 6.

(13) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Pero esto es un caso ideal y teórico, pues no existe conector con una rigidez infinita. En la realidad el comportamiento general del conjunto, y el tensional en particular, depende, dentro de ciertos límites, de la rigidez (o deformabilidad) de la conexión. Ésta se evalúa por el coeficiente Kq/sq, siendo Kq la rigidez de un conector obtenida según ensayos normalizados y sq la separación a la que situemos los conectores.. Figura 3 Efecto de la deformabilidad en el rasante y en las tensiones en un caso real (Ortiz Herrera, 1978)[1].. El efecto de la deformabilidad de las conexiones, en régimen lineal o cerca de la rotura, supone una modificación (o adaptación) de las leyes de esfuerzos rasantes en la superficie de contacto respecto al caso de interacción completa. Produce además una modificación (o redistribución) de los esfuerzos distribuidos en cada material. Los axiles se relajan y los flectores aumentan en cada material con la deformabilidad. Las tensiones normales se modifican más en el plano de contacto que en los extremos (Figura 3), es decir los valores. 1.. Introducción. Pág 7.

(14) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. máximos de las tensiones normales, que se producen en éstos extremos, se ven en general poco alterados. Además se produce un moderado aumento de la flecha. Pero estos efectos son mayores cuando las deformabilidades de las conexiones son mayores, y viceversa. Interesan, por tanto, conectores lo más rígidos posible. En cualquier caso, la rigidez del conector se calcula empíricamente según las indicaciones del ANEXO B “Ensayos normalizados” del Eurocódigo 4 [34], evaluando el rasante por unidad de conector (Hq), que es capaz de absorber cada conector a partir de los ensayos en probetas de dimensiones normalizadas... 1.2.. Tipos de conectadores en estructuras mixtas hormigón-acero:. Los conectores juegan, por tanto, un papel primordial en las estructuras mixtas. En la bibliografía en castellano referente a la materia, encontramos como libro de referencia para esta tesis el libro Julio Martínez Calzón y Jesús Ortíz Herrera: Construcción mixta hormigón-acero. [1]. Según éste, la deformabilidad de la conexión (o mejor, ductilidad frente a las solicitaciones de rasante) puede dar lugar a la siguiente clasificación de conectores: - Conectadores rígidos (0<Kq/sq<2·10-5 m2/Tn) - Conectadores flexibles (2·10-5<Kq/sq<8·10-5m2/Tn) - Conectadores deslizantes ( Hasta 50·10-5 m2/Tn). Tradicionalmente se emplean en estructuras mixtas de hormigón y acero los siguientes conectores . Conectadores rígidos:. Se incluyen en ésta denominación tanto soluciones de transmisión por presión, adherencia y anclaje, como otras basadas en rozamiento, uniones encoladas, etc.. Se dividen en: 1-. Tacos (conectores a cortante):. Son conectores relativamente cortos que transmiten los esfuerzos de unión directamente al hormigón por presión. Pueden estar, soldados, roblonados o atornillados a la sección de acero (Figura 4). 1.. Introducción. Pág 8.

(15) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Figura 4: Conectadores rígidos de tipo taco. (Ortiz Herrera, 1978) [1]. 2-. Anclajes:. Consisten en barras que transmiten los esfuerzos de unión por medio de ganchos o asas, embebidos en el hormigón y soldados a la sección de acero estructural (Figura 5).. Figura 5: Conectadores rígidos de tipo anclaje (Ortiz Herrera, 1978). [1]. 3-. Tornillos de alta resistencia. Las superficies de contacto están sometidas a la compresión del pretensado del tornillo en dirección normal a ellas, y transmiten los esfuerzos de unión por rozamiento entre el hormigón y el acero, aunque en general la capacidad última de éste tipo de unión depende exclusivamente de la capacidad a cizallamiento de dichos tornillos al haber vencido dicho rozamiento (Figura 6).. Figura 6: conexiones rígidas con tornillos de alta resistencia. (Ortiz Herrera, 1978) [1].. 4-. Chapas con pretensado transversal:. 1.. Introducción. Pág 9.

(16) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Se basan en aprovechar el rozamiento hormigón-acero producido en una chapa metálica vertical continua soldada longitudinalmente a la pieza metálica, al aplicarse un pretensado transversal del hormigón (Figura 7).. Figura 7: Conexiones rígidas de chapa adherente pretensada. (Ortiz Herrera, 1978) [1].. 5-. Resinas:. Se trata de resinas epoxídicas que unen el hormigón al acero. Parece más apropiado su empleo cuando se incorpora además algún tornillo de alta resistencia para evitar despegues y pérdidas de la unión por tensiones locales de tracción. En conectores rígidos el movimiento relativo entre el hormigón y la sección metálica es muy pequeño aún estando próximas las acciones a la rotura de la conexión. El modo de rotura de los conectadores rígidos suele presentarse: - Por cizallamiento local o agotamiento del hormigón que rodea al conector. - Por cizallamiento global de la losa en un plano paralelo al eje de la pieza. - Por rotura del medio de unión entre conector y pieza metálica, normalmente soldadura - O por una combinación de estas causas. . Conectadores flexibles:. Con estos conectadores se producen, en condiciones normales de trabajo, deslizamientos débiles entre el acero y el hormigón, aunque pueden ser elevados cuando las acciones sobre el conectador se aproximan a la rotura del mismo. Dentro de esta denominación se incluyen elementos tipo vástago, perno o barra en los que existe predominio claro del proceso de flexión, así como otros como angulares, úes, tés en los que la flexión es menos acusada. 1-. Pernos y vástagos:. Son piezas de diversas formas metálicas cuya unión con el material metálico de base suele ser mediante soldadura por arco eléctrico entre el perno y la pieza metálica a la que se fija (Figura 8).. 1.. Introducción. Pág 10.

(17) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Figura 8: Conectadores flexibles de tipo perno y vástago. (Ortiz Herrera, 1978) [1].. 2-. Espirales y bucles:. Consisten en barras metálicas en forma de espiral, o de bucle simple o doble que se une en varios puntos a la pieza metálica mediante soldadura (Figura 9).. Figura 9: Conexiones flexibles de tipo "espirales" y "bucles"(Ortiz Herrera, 1978) [1]. 3-. Perfiles y planos rigidizados:. Son elementos compuestos por perfiles o chapas formando sistemas rigidizados en forma de ángulos, tés, úes, etc... que se sueldan a la pieza metálica (Figura 10).. Figura 10: Conexiones flexibles del tipo "Perfiles y planos rigidizados".(Ortiz Herrera, 1978) [1].. El modo de rotura de los conectadores flexibles se produce en general por un conjunto de efectos: - Plasticidad local de zonas de hormigón próximas a la conexión y de zonas del conectador en el contacto producido por el sentido del rasante en éste. Al producirse con grandes deformaciones del conector, culmina en aplastamiento del hormigón o en colapso del metal. 1.. Introducción. Pág 11.

(18) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. del conectador o de su base de soporte. Los conectadores después de la rotura acaban con profundas distorsiones en su forma. . Conectadores deslizantes:. Este tipo de conexión implica grandes deslizamientos entre el hormigón y el acero, que deben ser incluidos en el cálculo. La resistencia de estos elementos se basa en comportamientos estructurales de flexión o de medio elástico intermedio. En general su empleo no es recomendable salvo en casos especialísimos en los que no se pueda acudir a los casos anteriores. 1-. Ménsulas:. Son conectadores flexibles de los tipos anteriores a los que se les incorpora al hormigonar un elemento inerte separador entre el perfil metálico y el extremo superior del conectador en una parte de la caña (Figura 11).. Figura 11: Conexión deslizante de tipo ménsula. (Ortiz Herrera, 1978) [1].. 2-. Celosías:. El sistema de conexión está formado por una celosía plana, situada en un plano paralelo a la directriz de la pieza mixta, uno de cuyos cordones está unido al hormigón y el otro al acero (Figura 12).. Figura 12: Conexiones deslizante de tipo "celosía": (Ortiz Herrera, 1978) [1]. 1.. Introducción. Pág 12.

(19) Tesis doctoral. 3-. Bernardo Martínez Juan. Bandas elásticas:. Consiste en incorporar entre acero y hormigón bandas de materiales de tipo elastomérico adecuadamente pegadas (Figura 13).. Figura 13: Conexión deslizante del tipo "banda elástica". (Ortiz Herrera, 1978) [1].. En general los sistemas de conectadores deslizantes no llegan a requerir la rotura de éstos, ya que cuentan con escalones de cedencia muy marcados que superan las necesidades requeridas por la estructura en agotamiento. En resumen, puede decirse que así como la conexión rígida funciona basada principalmente en la transmisión directa y homogénea de presiones, en la flexible dichas presiones son muy variables y fluctuantes a lo largo del proceso de carga y las transmisiones por flexión llegan a predominar o igualan dichas presiones e incluso se producen tracciones importantes en los conectadores cuando existen elementos de cabeza apropiados para efectuar funciones de anclaje. Figura 14. Figura 14: Distribución de presiones en diferentes tipos de conector. (Ortiz Herrera, 1978) [1].. 1.3.. La estructura mixta hormigón-madera. En el caso que se estudia en esta tesis, se trata de aprovechar las características del hormigón, pero usando la madera como material resistente a tracción. No existe en España ni en Europa regulación específica relativa a las estructuras mixtas de hormigón y madera. En la madera, la resistencia a la tracción axial en la dirección de las fibras dependerá de la especie y de otros factores como la humedad, pero es, en general, superior al doble de la resistencia axial a la compresión (debido entre otras cosas a que, a compresión, las fibras alcanzarán un estado límite de pandeo previo a su rotura).. 1.. Introducción. Pág 13.

(20) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. El módulo elástico es también mayor a tracción en esa dirección, y la ductilidad es superior en compresión. Para madera de coníferas podemos aceptar unas leyes de tensiones como las que se muestran en la Figura 15.. Figura 15: Características técnicas de la madera de conífera en dirección paralela a la fibra: (Argüelles Álvarez, 1988) [2]. En cuanto a la dirección perpendicular a la fibra los esfuerzos de tracción deben tratar de evitarse, pues la adherencia entre las fibras es la que únicamente contrarresta dicho esfuerzo y, dado que esta adherencia es muy pequeña, la rotura sobreviene con tensiones muy reducidas, del orden de 1/30 y 1/70 de la resistencia a la tracción axial. En cuanto a la compresión perpendicular a la fibra, no existe un comportamiento totalmente elástico. La probeta se deforma plásticamente y no existe una carga de rotura, pero sí un límite de agotamiento definido por aquellos valores de carga para los que las deformaciones crecen rápidamente. Dicho límite de agotamiento es del orden de 1/5 a 1/7 de la resistencia a compresión axial (Figura 16).. Figura 16: Características tensionales de la madera de conífera en dirección perpendicular a la fibra. (Argüelles Álvarez, 1988) [2]. Así, pues, la madera en general presenta características resistentes anisótropas. Pero en la dirección de las fibras presenta resistencias a tracción suficientes para formar piezas mixtas. 1.. Introducción. Pág 14.

(21) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. que resisten esfuerzos del mismo orden de magnitud que las estructuras mixtas de hormigón y acero con secciones de dimensiones razonables. Existe una amplia gama de posibilidades de aplicación, llegando incluso a ser posible la construcción de elementos mixtos de hormigón y madera para salvar luces grandes, tipo puentes. Otra posibilidad la constituye la rehabilitación de patrimonio construido, que es uno de los aspectos importantes en los criterios de sostenibilidad actualmente contemplados en el ámbito de la construcción. En España prácticamente todos los forjados anteriores a los años 40 son de madera con una losa de compresión abovedada o no de muy diversos materiales. A partir de los años 40 y con gran profusión a partir de los años 60, la aparición del forjado unidireccional reprodujo miméticamente el comportamiento estructural del antiguo forjado de madera con mayores prestaciones resistentes, pero todavía existen en España gran cantidad de forjados de madera algunos de los cuales forman parte de los mejores exponentes de nuestro patrimonio edificado. En este sentido, una técnica poco explotada es la rehabilitación de antiguos forjados de madera mediante la demolición de sus elementos no estructurales y la reconversión a un forjado mixto de hormigón (de nueva aportación) y madera (respetando la preexistente) debidamente conectados para su trabajo conjunto, que resulta mucho más eficiente al sustituir material de relleno por material estructural. De este modo se consiguen conservar las viejas viguetas de madera, lo que supone un ahorro energético además de una mejora de la calidad estética y acústica frente a otras soluciones.. 1.4.. Tipos de conectadores en estructuras mixtas hormigón-madera:. En las piezas mixtas de madera-hormigón, análogamente a las piezas mixtas hormigónacero, el comportamiento de la conexión tiene una importancia vital en su comportamiento mecánico. La madera ofrece la ventaja de que para colocar los conectores sobre ella, no hace falta soldar, y se pueden colocar de muy diversos modos: clavado, roscado, por introducción en una abertura realizada en la madera abrazándola exteriormente con algún dispositivo dentado, por pegado aprovechando su porosidad, e incluso simplemente abriendo un hueco en ella no para colocar ningún conector sino para que el hormigón penetre en la madera. Los tipos de conectadores utilizados para elementos mixtos de este tipo, son muy diversos. Para realizar su estudio y clasificación se han consultado páginas web de casas comerciales que ofrecen conectores de madera hormigón, patentes de elementos de conexión y artículos relativos a investigaciones realizadas en relación a la distinta tipología de conexiones entre ambos materiales. Algunas de estas investigaciones son las que han dado lugar a algunas de las patentes que se comercializan en la actualidad. Todo ello se verá desarrollado en el estado de la cuestión.. 1.. Introducción. Pág 15.

(22) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. En resumen podemos distinguir que para elementos mixtos de hormigón y madera los conectores pueden ser: . Elementos contínuos: (Figura 17). - Mallas continuas de acero embebidas en el hormigón e incrustadas y pegadas en una muesca realizada en la madera.(Patente HBV System). - Perfiles metálicos con pestañas con orificios para atornillarlas al hormigón. (patente LPR® de Peter Cox Interventi Speciali). - Celosía a base de armadura (similar a las de las viguetas), con dos armaduras longitudinales que se incrustan y pegan en muescas longitudinales realizadas en la madera (fig 19) - Pegados con resina epoxi. Figura 17: Elementos continuos de conexión: Mallas patente HBV, Perfiles patente LPR y celosías a base de armadura.. . Elementos discontínuos: (Figura 18, Figura 19, Figura 20, Figura 21 y Figura 22). - Puntas de acero o clavos - Trozos de tubo hincados en la madera - Huecos practicados en la madera donde penetra el hormigón. - Chapas de anclaje en L atornilladas a la madera o corsés de chapa de acero formando un cajón (como los que habitualmente se usan para conexiones entre armaduras. - Tirafondos ordinarios colocados perpendicularmente - Tirafondos especiales con cabeza ordinaria colocados a 45º formando una X por parejas (patente VB® de Rothoblaas) - Placas dentadas - Pernos - Armaduras corrientes de acero dobladas y ancladas con resina epoxi - Perno unido a un crampón que se clava .por las esquinas en la madera y además se atornilla a ella con varios tirafondos (patente Tecnaria). - Combinación de algunos éstos elementos.. 1.. Introducción. Pág 16.

(23) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Figura 18: Conectores discontinuos (1): Huecos en la madera. Huecos y unión mediante un tubo metálico o tirafondo. Chapas de acero en L, Corsés de acero, Tirafondos de cabeza estrecha. Figura 19: Conectores discontinuos (2): Conexiones de "armaduras de acero dobladas". 1.. Introducción. Pág 17.

(24) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Figura 20: Conectores discontínuos (3): Conexiones a base de "Tirafondos perpendiculares a la madera". Figura 21: Conectores discontinuos (4): Patente VB® de Rothoblaas, Patente de Heco.. Figura 22: Conectores discontinuos (5): Patente CTL® de Tecnaria.. El modo de colocación del conector tiene también influencia decisiva en el resultado de la conexión. En algunos casos, como sucede en los tirafondos, su colocación influye en el tipo de esfuerzos a los que estará sometido. No es lo mismo colocarlos inclinados en cuyo caso trabajarán fundamentalmente a axil, que verticales en que trabajarían a cortante y flexión.. 1.. Introducción. Pág 18.

(25) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Los modos de rotura de estos conectores se producen de muy diversas maneras: El modo de fallo de los conectores a base de huecos cilíndricos se produce al machacarse la parte de la madera en contacto con el hormigón, que trabaja a compresión. Los conectores que consisten en utilizar un corsé de acero de los que habitualmente se usan para conexiones entre madera, (por ejemplo de la casa comercial “Pryda”) atornillado a la madera y sujeto al hormigón bien por varillas de anclaje, o bien por los huecos que existen en el corsé producen un modo de fallo por deslizamiento concentrado entre el corsé de acero y la madera arrancando los tornillos. Sin embargo la ductilidad fue mucho más marcada que para conexiones con tirafondos En las uniones consistentes en huecos cilíndricos en la madera y un tubo metálico o un tirafondo que se coloca en el hueco, los tirafondos aportan más del doble de la resistencia del agujero sólo cuando el deslizamiento es pequeño, y cuando es grande, soportan toda la resistencia y aportan ductilidad. El modo de fallo es por aplastamiento del hormigón junto al tornillo y por desgarramiento de éste último. Las uniones con tubo metálico aplastan hormigón y la madera en las zonas de compresión. Los conectores a base tirafondos colocados perpendicularmente a la madera, en un primer (rama elástica) tienen muy poco movimiento hasta que el tornillo adquiere flexiones mayores (rama plástica) y la madera comienza a deslizar. El modo de fallo se produce porque la flexión tritura la madera y el hormigón al mismo tiempo que se desgarra la madera. En las uniones consistentes en dos tirafondos de diámetro 7,5 mm colocados a 45º formando X, el modo de fallo es que el tirafondo a compresión falla en tres puntos por pandeo machacando el hormigón y posteriormente el de tracción se rompe. En la zona de ambas cabezas del tornillo hay aplastamiento del hormigón. En los conectores consistentes en huecos rectangulares cortados en la madera que proporcionan apoyo a tirafondos, el significativo incremento de resistencia y rigidez se atribuye al mayor área del rectángulo de apoyo. y el modo de fallo fue por aplastamiento del hormigón junto al tornillo y por desgarramiento de éste último En resumen, es importante para poder conocer la eficacia de cualquiera de estos conectadores, cuál es el modo de rotura del conjunto de la estructura mixta montada con la conexión cuando se le somete a las cargas extremas. Para ello, en los artículos que se han consultado y que corresponden a las conexiones mostradas y a otras, los modos de rotura son, o bien fallos por cortante en la conexión, fallos por aplastamiento del hormigón circundante a la conexión, fallos por arrancamiento de la conexión, fallos por despegue o separación de las superficies; o, en algunos casos, fallos por aplastamiento de la madera (cuando se trata de huecos realizados en ésta).. 1.. Introducción. Pág 19.

(26) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Por tanto, la mejor clasificación de los conectadores de madera-hormigón debe ser en función del tipo de esfuerzo al que estén sometidos prioritariamente. Clasificamos entonces: - Conectadores a Cortante. Dan lugar a conexiones semirrígidas o flexibles. Pertenecerían a esta tipología las conexiones con elementos clavados o roscados perpendiculares a la madera, puntas de acero, clavos, trozos de tubo hincados en la madera, huecos practicados en la madera, tirafondos ordinarios perpendiculares a la madera, pernos (incluida patente Tecnaria), armaduras corrientes de acero dobladas y ancladas con resina epoxi, etc... Las más flexibles serían las conexiones a base de chapas de anclaje en L atornilladas a la madera o de placas dentadas - Conectadores a Rasante. Dan lugar a las conexiones rígidas, pero su ductilidad es casi nula. Pertenecerían a éste grupo las uniones encoladas con resina epoxi. - Conectadores a Axil. Dan lugar a conexiones rígidas y dúctiles si se colocan adecuadamente. Pertenecen a esta clase las conexiones con tirafondos inclinados en los que se evitara el arrancamiento y funcionaran prioritariamente a tracción La presente tesis está motivada por la búsqueda de una conexión que mejore las preexistentes. Dado que las conexiones más eficaces son las que están sometidas a esfuerzos axiles de tracción, en el capítulo de estado del arte se reseñan brevemente algunos de los artículos sobre conectadores a base de tirafondos y se amplía a otros tipos de conectores. En el caso de conexiones a base de tirafondos inclinados, se observan modos de rotura que son o bien fallos por arranque de la rosca, aplastamiento del hormigón que se somete a compresión junto a la cabeza del tirafondo o por separación de las superficies. Nunca se llega a una rotura por tracción del tirafondo sin daños en la cabeza del mismo y en el hormigón que rodea a ésta, salvo que el tirafondo sea de materiales de muy baja calidad resistente, en cuyo caso, el tirafondo no es adecuado desde un principio.. 1.. Introducción. Pág 20.

(27) CAPITULO II: HIPÓTESIS Y OBJETIVOS.

(28) Tesis doctoral. 2.. Bernardo Martínez Juan. HIPÓTESIS Y OBJETIVOS:. Tras estudiar detenidamente el abanico de conectores expuesto en la introducción, se puede afirmar que los dispositivos empleados como conectores son manifiestamente mejorables. Las conexiones que proporcionan mayor rigidez en estructuras mixtas hormigón-madera son las conexiones que trabajan a axil, concretamente a tracción. La principal hipótesis de esta tesis es que se pueden conseguir conexiones a tracción que superen los problemas derivados de todos los modos de rotura de los que adolecen las conexiones expuestas en el apartado anterior y cuyas características se explican con más detenimiento en el apartado de estado de la cuestión.. Figura 23: Posición inclinada de los conectores y respecto al sentido de los rasantes para conseguir que los elementos trabajen siempre a axil en una viga mixta de hormigón-madera.. Los objetivos que ha de alcanzar la conexión de nuevo diseño son: - Conseguir que trabaje principalmente a tracción. Con ello se evitarán los problemas derivados del exceso de deslizamiento en conexiones que trabajan a cortante o pandeos en las que trabajan a compresión. Para conseguirlo se utilizarán tirafondos colocados de forma inclinada respecto a la superficie de contacto, y de modo que el sentido de los. 2.. Hipótesis y objetivos. Pág 22.

(29) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. rasantes resultante de las cargas a las que esté sometido el elemento les haga trabajar principalmente a tracción. Es habitual que en los elementos sea necesario cambiar la dirección de la inclinación en función de la posición o naturaleza de la carga (Figura 23). En los casos en los que la estructura pueda estar sometido a una alternancia de cargas, se hace necesario cruzar los tirafondos. - Evitar las plastificaciones en el hormigón próximo al elemento, y en concreto próximo a la cabeza del conector de que se trate. Para conseguirlo se utilizarán tirafondos con un ensanchamiento en cabeza en forma de arandela de dimensiones mucho más grandes que el diámetro del tornillo o de la cabeza de apriete. (Figura 24). Figura 24: Elemento de conexión con ensanchamiento en cabeza en forma de arandela. - Conseguir evitar modos de rotura por arrancamiento de la madera. Para conseguirlo se eligen tirafondos unidos por rosca a la madera y en los que se ha de estudiar la rosca adecuada, en términos de profundidad y ángulo del filete o hilo de rosca, y longitud del paso de rosca así como la profundidad de embutido en la madera. Si el elemento se diseña adecuadamente, debe hacer posible el proceso de transmisión de tensiones rasantes desde la madera hasta el elemento y éste debe ser capaz de movilizar las tracciones correspondientes sin que haya arrancamiento, para canalizar esos esfuerzos de tracción hasta la cabeza y que ésta lo transmita a una amplia masa de hormigón que no sufra plastificaciones en el entorno de dicha cabeza. Al colocarlo inclinado y trabajar a tracción, el contacto del vástago con el hormigón y la madera es de menor entidad que cuando se colocan perpendiculares al plano de contacto, y las plastificaciones en esos contactos suceden en estados de carga más próximos al límite, de modo que el objetivo final es que su modo de rotura sea por agotamiento a tracción dúctil del propio elemento de conexión, aprovechando del modo más eficaz posible el proceso de transmisión de rasantes de un material a otro. Con ello se conseguirían conexiones clasificables como rígidas, en las que hay que estudiar su ductilidad, que entendemos es posible conseguir, dadas las altas ductilidades de la madera y del acero elegido como material del tirafondo en su caso. Dicho conectador consideramos que debe ser un mecanismo sencillo, sin grandes sofisticaciones (elección de rosca adecuada, de entre las existentes en el mercado), sin necesidad de herramientas especializadas para su instalación en la estructura de madera. 2.. Hipótesis y objetivos. Pág 23.

(30) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. (las cabezas de apriete las habituales del mercado), sin materiales sofisticados (acero habitual de fabricación de tirafondos), y con un mecanismo de colocación también sencillo (los habituales para el roscado mecánico de tirafondos). Simplemente se necesitaría la ayuda de una plantilla para la correcta colocación del elemento en el ángulo que se desee. Sobre el diseño de ese conector, sus características necesarias, el dimensionado las variables que lo configuran y el estudio de su comportamiento, son los asuntos sobre los que versa la tesis que se desarrolla en los siguientes capítulos.. 2.. Hipótesis y objetivos. Pág 24.

(31) CAPITULO III: ESTADO DE LA CUESTIÓN.

(32) Tesis doctoral. 3.. Bernardo Martínez Juan. ESTADO DE LA CUESTIÓN. 3.1.- NORMATIVA 3.1.1.‐ NORMATIVA EUROPEA. No existe hasta esta fecha ningún Eurocódigo que hable específicamente de estructuras mixtas de hormigón y madera. Sólo existen algunas reglas en los Eurocódigos 4: Proyecto de estructuras mixtas de hormigón y acero y Eurocódigo 5: Proyecto de estructuras de madera, que pueden servir de base para el diseño de algunas de las probetas de experimentación de esta tesis Eurocódigo 5: Proyecto de estructuras de madera [42]: El campo de aplicación del Eurocódigo 5 se refiere exclusivamente al proyecto de estructuras de madera (madera aserrada, cepillada o en forma de palo o de madera laminada encolada) o paneles industriales de tablero unidos entre sí con adhesivos o elementos de fijación mecánicos. Los elementos mixtos de hormigón y madera unidos con elementos de fijación mecánicos, quedan fuera del ámbito de aplicación. No obstante, dada la ausencia de una normativa específica para uniones hormigón-madera, se han utilizado algunas reglas reguladas en el capítulo 6 de este Eurocódigo, que trata de los principios y reglas que deben cumplir las uniones o elementos de fijación entre las distintas piezas de madera que forman la estructura, como ayuda para el diseño de algunas de las probetas objeto de experimentación, como se irá describiendo más adelante. Eurocódigo 4: Proyecto de estructuras mixtas de hormigón y acero [34] Modelo de probetas con conexiones y losas mixtas hormigón-madera En él se regulan las conexiones normalizadas entre hormigón y acero (pernos, tacos, anclajes y cercos, conectores angulares, tornillos pretensados, etc..), y también los ensayos a realizar en los conectores con el objeto de determinar entre otros los parámetros que definen la conexión (rigidez, capacidad de deslizamiento, etc..) La conexión que estudiamos está fuera del campo de aplicación del Eurocódigo 4, que se refiere a estructuras mixtas de hormigón y acero, aunque los principios básicos del cálculo de estructuras mixtas de hormigón y acero son extrapolables a estructuras mixtas de hormigón y madera sustituyendo los parámetro elásticos y geométricos del acero por el de la madera y poniendo la rigidez de la conexión correspondiente. Como la conexión que se estudia, lógicamente no está normalizada, no podemos aplicar ninguna de las reglas que se dan en el capítulo 6.6. y habrá que calcular la rigidez a. 3. Estado de la cuestión. Pág 26.

(33) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. deslizamiento de nuestra conexión y para ello habrá que realizar ensayos con probetas mixtas hormigón-madera. Dichas probetas se diseñan teniendo en cuenta el ANEXO B (Informativo) “Ensayos normalizados” de este Eurocódigo. 3.1.2.‐ NORMATIVA ESPAÑOLA. El Código técnico español tampoco tienen una norma específica para estructuras mixtas hormigón – madera. El Documento Básico SE-M Estructuras de Madera,[36] en el capítulo 8.2 “Principios generales del cálculo de uniones”, trata la capacidad de carga de las uniones entre piezas de madera, tableros y chapas de acero y se establece que en general, el valor característico de la capacidad de carga y la rigidez de las uniones se determinarán mediante ensayo de acuerdo con las normas UNE EN 1380, UNE EN 1381, UNE EN 26891 y UNE EN 28970. Alguna de estas normas y consideraciones del apartado 8.3 se han tomado. como ayuda para el predimensionado de algunos de los elementos objeto de experimentación... 3.2.- INVESTIGACIONES Y ARTICULOS PUBLICADOS RELACION A CONEXIONES HORMIGÓN-MADERA. EN. 3.2.1.‐ CONECTADORES EN GENERAL Las estructuras compuestas de hormigón-madera unidas por conexiones constituyen una tecnología relativamente reciente. Las investigaciones con conectores de hormigón-madera comenzaron en 1943 con Mc Cullough (McCullough., April 1943) [3] que investigó vigas mixtas con conexiones formadas por puntas de acero, resaltos en la madera, combinaciones de ambas, trozos de tubo y placas clavo de acero. Richart y Williams [4] también en 1943 probaron dispositivos de transferencia de cortante en forma de clavos , resaltos en la madera, resaltos combinados con clavos y placas clavo triangulares en vigas encontrando muy buenas transferencias. - G.Pincus [5] (1969) investigó acerca de vigas en T con las alas de hormigón y el alma con madera de paratecoma teroba, con cinco posibles secciones en T. Obtuvo que siempre tenían lugar deslizamientos por cortante y desgarros de una capa de hormigón sobre secciones con alto cortante mientras no tenía lugar el fallo del epoxi . Este mismo autor publicó [6] (1970) que las uniones mecánicas investigadas hasta el momento desarrollaban menos del 50% de la acción compuesta entre ambos, por lo que investigó con vigas usando resina epoxi con y sin clavos consiguiendo aumentar la eficacia de las uniones exclusivamente mecánicas. - Pillai and Ramakrishnan [7] (1977) llevaron a cabo ensayos de cortante sobre probetas mixtas con tirafondos de 3 y 5 mm. de diámetro con diversas separaciones , inclinaciones, profundidad de roscado y diversas calidades de hormigón e informaron que inclinarlos 45ª con la cabeza apuntando al apoyo más cercano suponía un incremento de la resistencia y. 3. Estado de la cuestión. Pág 27.

(34) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. una mayor rigidez. Los modos de fallo de la unión en ese caso fueron por aplastamiento del hormigón. - A partir de los años 80 la tecnología de estas estructuras mixtas se desarrolló con mayor intensidad. C.K. Murthy y otros (1984) [8] compararon uniones consistentes en embeber parcialmente la viga de madera en el hormigón y conectarla mediante un emparrillado de armaduras de 6 mm. que atraviesa la madera por agujeros realizados previamente, con uniones realizadas con pernos verticales de 16mm. La curva Momento-Curvatura de la conexión “horizontal” se aproximaba mucho más a la teórica sin deslizamiento que la conexión “vertical”. - Von Petr Zajicek (1989) [9] formuló el cálculo de la capacidad portante de la sección compuesta a partir del rendimiento de la conexión expresada como coeficiente de reducción que toma valores entre 0 (sin conectar) y 1 (conexión perfecta). A su vez formuló este coeficiente en función del deslizamiento en el plano de contacto. Posteriormente [10] experimentó sobre vigas compuestas con conectores con tirafondos verticales de D16 mm y 17 cm de longitud, embebidos 12 cm en la madera, aplicando los rendimientos que obtenía del ensayo pull-out, incluyendo la fluencia del hormigón y comprobando la validez de su formulación. - Ulrich Meierhoffer (1993) [11] publicó la realización de ensayos con probetas de cortante y con vigas compuestas de 3,85 m. sometidas a flexión y a cargas a corto y largo plazo con unos conectores consistentes en tirafondos de fácil colocación en disposiciones por parejas y en distintos ángulos, obteniendo los mejores resultados para disposiciones a 45º formando X por parejas. - Ahmadi y Saka (1994) [12] ensayaron vigas compuestas con 10 conectores distintos, tornillos roscados, y clavos sin rosca, y clavos con cabeza, obteniendo mejores resultados en uno de los tornillos roscados, con deflexiones del orden de 1/5 respecto a una viga no compuesta. Sus experimentos muestran que la longitud roscada de 11 veces el diámetro es suficiente. - Astori y Natalini [13] (2000) ensayaron a cizallamiento conectores inclinados de barras de acero de 6 mm. con un anclaje en el hormigón consistente en un gancho formado al doblar la barra de acero. Además la superficie se pega con adhesivo epoxi. El modo de rotura ocurría al fisurar zonas de hormigón cercanas a las barras. - Eric Steinberg Ricky Selle and Thorsten Faust [ 14 ] (2003) investigaron el uso hormigones ligeros con conectores existentes en el mercado europeo. Ensayaron TCCS (Timber-Concrete Composite Structures) con 5 conectores diferentes de rigideces aprox 15.000 Nw/mm separados aprox 30 cm. Afirma que aumentando 5 cm el espesor de la losa de hormigón se puede aumentar 1,5 veces la luz con hormigones normales de 25.000 MPa de módulo elástico, pero se puede reducir un 15% la carga muerta usando hormigón ligero con densidad de 1,6 KN/m3 en vez de hormigón normal de 2,3 KN/m3. En el artículo investiga el mecanismo de fallo para esos 5 conectores en hormigones ligeros, con más. 3. Estado de la cuestión. Pág 28.

(35) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. bajos módulo de Young y resistencia a tracción. Se obtuvieron capacidades de carga más bajas para los conectores con hormigones ligeros por fallos locales en el hormigón debido esta menor resistencia a tracción y a su mayor tendencia a fisurarse. La rigidez a flexión de la estructura compuesta también disminuye debido a su menor módulo elástico, y los conectores deben ser colocados más cerca para alcanzar la misma rigidez que con hormigón normal. El factor decisivo para el empleo de hormigones ligeros dependerá de si su mayor coste y el ajuste más próximo de los conectores compensan los ahorros por la carga muerta. En este artículo es de destacar el resultado de los ensayos pull-out (de rasante) realizados con los 5 conectores diferentes embebidos en hormigón ligero. Los conectores elegidos son 5 de los más exitosos del mercado. Figura 25. Figura 25: Conectores ensayados a pull-out. Fuente [14]. Los resultados de los ensayos pull-out así como las curvas carga-deslizamiento son las que se muestran en la Tabla 1 y la .Figura 26.. Tabla 1: Resultados de los ensayos pull-out en los conectores de la Figura 25. Fuente [14].. 3. Estado de la cuestión. Pág 29.

(36) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Figura 26: Curvas carga-deslizamiento para los conectores de la Figura 25. Fuente [14].. Los conectores B y D tuvieron la mayor capacidad de carga, sin embargo los conectores tipo B tuvieron aproximadamente el 50% de la la rigidez inicial que los del tipo D. Los conectores tipo C tuvieron el más alto módulo de deslizamiento inicial, pero no tuvieron la resistencia más alta y su módulo de deslizamiento disminuyó rápidamente al aumentar el deslizamiento. Los conectores tipo E tuvieron la más baja resistencia y el menor módulo de deslizamiento. El modo de fallo de los 5 conectores investigados fue en todos los casos por agotamiento y aplastamiento del hormigón, permaneciendo los conectores casi sin daños, sólo con deformaciones de flexión, que llegan a ser muy severas en los conectores E y D. - Clouston y otros [15] (2005) propusieron una malla continua de acero con una parte embebida en el hormigón y la otra pegada en una muesca en la madera (Figura 17), y determinaron principalmente de modo experimental su rigidez (K en N/mm). Dió lugar a. 3. Estado de la cuestión. Pág 30.

(37) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. una patente comercializada por Zang and BahmerGMbH conocida como “HBV (HolzBeton-Verbund) system” - M Fragiacomo y otros [16] (2006) Publicaron una serie de dos artículos relativos a la modelización del comportamiento a largo plazo de vigas compuestas de hormigón y madera. Para ello monitorizaron el comportamiento frente a deslizamiento, fluencia, contracción-hinchazón y variaciones de temperatura en dos test de vigas compuestas y utilizaron un modelo de elementos finitos uniaxial con conexión flexible. A pesar de algunas incertidumbres en las condiciones ambientales y propiedades de los materiales, resultó un buen ajuste entre los resultados experimentales y los resultados numéricos del modelo.. Figura 27: Algunos elementos discontinuos de conexión (1). Fuente [18].. En el segundo artículo [ 17 ] se usa el modelo para realizar un análisis paramétrico mostrando la contribución de cada fenómeno reológico y variación termo higrométrica sobre la flexión y deslizamientos en la conexión de las vigas. Basados en esos resultados, se propone un procedimiento simplificado para el cálculo analítico a largo plazo de elementos mixtos de hormigón y madera.. 3. Estado de la cuestión. Pág 31.

(38) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. - Bruce L.Deam, Massimo Fragiacomo y Andrew H. Buchanan [18] en artículo publicado en el año 2007 compararon la resistencia, rigidez y modo de rotura de diferentes conectores. Muescas circulares y rectangulares en la madera con y sin tornillos y tubos de acero de refuerzo, tornillos patentados, tirafondos con diferentes diámetros, chapas en L perforadas y atornilladas, y soportes de armazón, que se muestran en las Figura 27 y Figura 28.. Figura 28: Algunos elementos discontinuos de conexión (2). Fuente [18]. Los midieron usando test de cortante asimétricos y encontraron los mejores resultados en muescas rectangulares con tornillos.. 3. Estado de la cuestión. Pág 32.

(39) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Los resultados obtenidos en este artículo pueden servir de base a una clasificación de los conectores madera-hormigón al comparar las gráficas superpuestas que, para cada uno de ellos, relacionan deslizamiento relativo con esfuerzo cortante en un conector. Figura 29. . Figura 29: Diagramas esfuerzo-deslizamiento de los conectadores de las figuras 27 y 28. Fuente [18].. Los conectores que dan peor resultado son los 1 y 2 a base de huecos cilíndricos de dimensiones indicadas en la figura 27 y cuyo modo de fallo se produce al machacarse la parte de la madera en contacto con el hormigón, que trabaja a compresión. Los conectores 9 y 10, 11, 12, 15 y 16 consisten en utilizar un corsé de acero de los que habitualmente se usan para conexiones entre madera, (se han tomado de la casa comercial “Pryda”) atornillado a la madera y sujeto al hormigón bien por varillas de anclaje (9), o bien por los huecos que existen en el corsé, variando la posición respecto al eje de las fibras, colocándolo en paralelo (10), 45º (11) o en perpendicular (12). En los 15 y 16 el corsé forma un cajón (directo o invertido). Ni las varillas ni el cambio de orientación aportaron ventaja alguna. El modo de fallo se produjo por deslizamiento concentrado entre el corsé de acero y la madera y arrancamiento de los tornillos. Sin embargo, la ductilidad fue mucho más marcada que para conexiones con tirafondos Los conectores 3, 4, 5, y 6 consisten en huecos cilíndricos en la madera y unión mediante un tubo metálico (5 y 6) o un tirafondo de 12 mm (3 y 4). Los tirafondos aportan más del doble de la resistencia del agujero sólo cuando el deslizamiento es pequeño, y cuando es grande, el tirafondos aporta casi toda la resistencia y la ductilidad. Sus gráficas con casi iguales y el modo de fallo fue por aplastamiento del hormigón junto al tornillo y por desgarramiento de éste último. Las uniones con tubo metálico aplastaron hormigón y la madera en las zonas de compresión. Los conectores 13 y 14 consisten en tirafondos de 12 y 16 mm de diámetro, respectivamente, (éste último un 30% más largo) colocados perpendicularmente a la madera. Ambos exhibieron muy poco movimiento (rama elástica) hasta que la madera. 3. Estado de la cuestión. Pág 33.

(40) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. comenzó a deslizar y el tornillo comenzó a flexionar. El modo de fallo se produce porque debido al deslizamiento se trituraron la madera y el hormigón y también se desgarró la madera. El pico de resistencia se alcanza con excesiva deformación (22mm). El conector 17 consiste en dos tirafondos de diámetro 7,5 mm colocados a 45º formando X. El tirafondo a tracción se rompió durante el ensayo y el de compresión rompió en tres partes. El movimiento hasta carga máxima fue más acusado que en los anteriores debido a su menor diámetro, y a que uno de los dos tornillos trabaja a compresión. En la zona de la cabeza del tornillo hay aplastamiento del hormigón. El autor del artículo considera que es un modo de rotura frágil e indeseable. Los conectores 7 y 8 consisten en huecos rectangulares cortados en la madera que proporcionan apoyo a tirafondos de 12 mm de diámetro. El significativo incremento de de resistencia y rigidez se atribuye a la mayor área del rectángulo de apoyo. y el modo de fallo fue por aplastamiento del hormigón junto al tornillo y por desgarramiento del tornillo respecto de la madera - Fragiacomo y otros [19], (2007) publicaron resultados de tests de rotura y bajo cargas mantenidas de un conector patentado atornillado a la madera y comercializado por “Tecnaria SpA”. El conector tenía buen comportamiento a corto y largo plazo. - Fragiacomo, Gutkowski y otros [20] (2007) investigaron el comportamiento a largo plazo de vigas compuestas. Para ello fabricaron vigas mixtas con conectores formando muescas en la madera atornilladas con un tornillo Hilti. Monitorizaron durante 133 dias las vigas y los resultados experimentales fueron extendidos al periodo de servicio de las vigas mediante un modelo unidimensional de elementos finitos (1D FE model). Las observaciones fueron que el aumento de humedad en la madera y posterior decaimiento debido al curado del hormigón no supone un problema estructural. Tampoco lo es el modo constructivo (apeado o no). Pero sí es importante el incremento de flecha bajo cargas permanentes largo periodo (fluencia); y también el efecto de la retracción del hormigón, que produce un deslizamiento traducido en una flecha. El modelo infravalora la deflexión elástica debida a estos efectos. - Jose L. Fernandez-Cabo y otros [21] (2008) abordaron el problema del proceso de diseño para la elección de la conexión, que es iterativo, separando el cálculo de la resistencia y de la rigidez buscando variables adimensionales que proporcionaran bases racionales para la selección de la conexión. Demostraron que la resistencia es función sólo de un parámetro adimensional , y la rigidez al deslizamiento depende de dos. Usando estos parámetros puede controlarse la desviación entre la rigidez de la solución propuesta y la óptima, ayudando al control del proceso de diseño, puesto que se demuestra que cada conexión tiene un límite superior para el cual la solución óptima no es aumentar el número de conexiones, sino cambiar a una conexión más rígida. - Peggi Clouston y otros (2008) [22], analizaron las fórmulas de diseño de estructuras compuestas con conectores a cortante semirrígidos existentes en el Anexo B del. 3. Estado de la cuestión. Pág 34.

(41) Tesis doctoral. Bernardo Martínez Juan. Eurocódigo 5, y las aplicaron al sistema de conexión comercializado por Zang and BahmerGMbH conocida como “HBV system”, realizando el diseño a corto y largo plazo y proponiendo el uso de dichas fórmulas en los Estados Unidos - M. Cárdenas y otros (2010) [23] ensayaron por un lado probetas mixtas de corte con tirafondos como conectores inclinados 45º trabajando a compresión o perpendiculares a la fibra de la madera. Las probetas con tirafondos inclinados dieron menor resistencia que las perpendiculares por la separación de los materiales. Los valores del módulo de deslizamiento en cualquier caso fueron desde 2 a 3 veces mayores que los calculados según el Eurocódigo 5. Por otro lado, ensayaron a flexión hasta rotura una viga de sección mixta con esos conectores, fallando la madera a flexotracción por una unión de tope de la madera laminada con una resistencia inferior a la que se calculó teóricamente según anexo B del Eurocódigo 5. El deslizamiento relativo fue de unos 2 mm., lo que revela la elevada rigidez de la conexión por medio de tirafondos. - Peggi L. Clouston [24] y otros (2011) estudiaron la viabilidad y efectividad del uso de placas de celosía de acero como conectores en vigas compuestas de madera laminadahormigón. Realizó dos estudios, primero sobre un prototipo de conexión y luego sobre dos vigas en T, una con una fila de conexiones y la otra con dos, encontrando que la rigidez de las dos fue similar, pero la capacidad última de carga fue un 20% menor en la que conectaba sólo con una fila de placas. - L. To, Fragiacomo M. y otros [25] (2011) han investigado el comportamiento bajo cagas que permanecen en el tiempo (fluencia) y bajo variaciones de la humedad y temperatura de una viga compuesta laminada con conexiones a base de muescas en la madera y tornillos Hilty verticales. Las variaciones de humedad provocan contracción-hinchazón en la madera, y los cambios térmicos crean campos de esfuerzos térmicos y flexiones que varían con el tiempo. Los ensayos fueron validados con el modelo numérico tridimensional comercial ABACUS (elementos finitos), encontrando mínimas variaciones del orden del 2,5%. - David Yeoh y otros [26] (2011) Realizaron ensayos push-out con diversas conexiones con objeto de evaluar las características de resistencia a cortante (rasante) y módulo de deslizamiento. Lo hicieron con conexiones que denominaron: Tipo R, muescas rectangulares en la vigueta de madera reforzadas con tirafondos de 16mm de diámetro; Tipo T, muescas triangulares reforzadas con el mismo tirafondo, y Tipo P, placas dentadas de acero clavadas en la pared lateral de dos viguetas adyacentes. Analizaron las curvas cortante frente a deslizamiento y los mecanismos de fallo y proponen fórmulas analíticas para evaluar la resistencia a cortante (rasante) de conexiones con muescas de acuerdo con las normas neozelandesas y Eurocódigo 5 Anexo B basadas en cuatro mecanismos de fallo.. 3. Estado de la cuestión. Pág 35.

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