Propuesta de unión viga-pilar mediante pernos conectores: Análisis por método de elementos finitos y ensayos experimentales

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www.e-ache.com HormigónyAcero2017;68(282):163–169 www.elsevierciencia.com/hya

Propuesta

de

unión

viga-pilar

mediante

pernos

conectores:

Análisis

por

método

de

elementos

finitos

y

ensayos

experimentales

A

proposal

of

a

beam-to-column

joint

using

shear

studs:

Finite

element

methods

and

experiments

Antonio

Aznar

López

,

José

I.

Hernando

García

,

Jesús

Ortiz

Herrera

y

Jaime

Cervera

Bravo

a_{DoctorenArquitectura,UniversidadPolitécnicadeMadrid,ProfesorAy.Doctor,Madrid,Espa˜na}

b_{DoctorenArquitectura,UniversidadPolitécnicadeMadrid,ProfesorTitular,Madrid,Espa˜na}

c_{DoctorenIngenieríadeC.C.yP.,UniversidadPolitécnicadeMadrid,CatedráticodeUniversidad,Madrid,Espa˜na}

d_{DoctorenArquitectura,UniversidadPolitécnicadeMadrid,CatedráticodeUniversidad,Madrid,Espa˜na}

Recibidoel29demarzode2017;aceptadoel26deabrilde2017 DisponibleenInternetel18deagostode2017

Resumen

Elobjetivoprincipaldeestetrabajoconsisteenproponerunaalternativamáseconómicayviableparalasunionesentreforjadosdehormigóny pilaresmetálicos.Lasoluciónqueseproponeenestetrabajoconsisteenungrupodepernosconectoresdestinadosatransferirlassolicitaciones desdelosforjadosdehormigónhastalospilaresmetálicos;consisteenunauniónprimaria,queesválidatantoparavigasdehormigóncomopara losas,yqueaportanumerosasventajasrespectoalasunioneshabituales,entrelasquesedestacalasimplicidad,laposibilidaddeindustrialización, laseguridadylaaltacapacidaddetransmisióndecortante.

©2017Asociaci´onCient´ıfico-T´ecnicadelHormig´onEstructural(ACHE).PublicadoporElsevierEspa˜na,S.L.U.Todoslosderechosreservados.

Palabrasclave: Uniónviga-pilar;Pernoconector;Estructuras

Abstract

Themainaimofthisworkistoproposeanalternativebeam-to-columnjointforuseinbuildingstructures.Thisnovelsolutionconsistsofagroupof headedstuds,andhasbeenconceivedtoconnectreinforcedconcretefloorstosteelcolumns.Itisaprimarystructuraljointanditcanbeusedboth inconventionalconcretebeamsandinslabs.Thealternativeapproachpresentedinthisworkofferssignificantbenefitscomparedtoconventional joints.Someoftheseadvantagesareregardingsimplicity,industrialisationpossibilities,shearstrengthcapacity,aswellastheexcellentweldsafety duetotheuseofheadedstuds.

©2017Asociaci´onCient´ıfico-T´ecnicadelHormig´onEstructural(ACHE).PublishedbyElsevierEspa˜na,S.L.U.Allrightsreserved.

Keywords:Beamtocolumnjoint;Shearstud;Structures

1. Introducción

El dise˜no de unión propuesto en este trabajo consiste en unauniónprimaria,capazdetransmitirlassolicitacionesdesde lasvigasde hormigónhastalos pilaresmetálicos [1,2].Cabe

VéasecontenidorelacionadoenDOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.hya.2017.05.001

∗_{Autorparacorrespondencia.}

Correoelectrónico:antonio.aznar@upm.es(A.AznarLópez).

destacarqueestedise˜nodeuniónesválidotantoparaforjados de hormigón como para losas. Además, aporta numerosas ventajas respecto a las uniones habituales, entre las que se destaca la sencillez, la posibilidad de industrialización, la seguridad y la alta capacidad de transmisión de cortante, comparadaconlasunionesconvencionales[3].

Actualmente,eltipo deunionesquese utilizaen estructu-ras deedificaciónestánformadasporperfilesmetálicos UPN soldados en crucetas a los pilares. Esta tipología requiere una exhaustiva labor de control y supervisión, esenciales parapoderasegurarlos nivelesdeseguridadrequeridos[4,5].

http://dx.doi.org/10.1016/j.hya.2017.04.018

Una de sus principales desventajas es su relación coste-seguridad.

2. Propuestadeuniónviga-pilar

Losautoresdeestetrabajohandesarrolladounnuevodise˜no deuniónviga-pilarutilizandolasnumerosasventajasque ofre-cenlos pernosconectores;su geometríaproporcionaunaalta capacidadparalaresistenciadelastensionestangenciales.La mayorventajadelos pernoseselelevadoniveldeseguridad, juntoconlagranresistenciadesusoldadura[6].

Enlafigura1sepuedeobservarlauniónpropuesta,concebida paraunavigacontinuadehormigónarmadoenunaestructura depilaresmetálicos.

2.1. Especificacionesdelaunión

Las uniones viga-pilar mediante pernos conectores deben estarcompuestasporunmínimodecuatropernosparala trans-misióndelcortante.Ladimensióndeestospernosnodebeseren

ningúncasomenorde16mmdediámetroy125mmdelongitud, paracumplirconlosmínimosnormativoseuropeos[7].

La armadura horizontalAh representada en lafigura 1 ha sido dise˜nada principalmenteparadotarala uniónde mayor resistenciafrenteal«fallolocal»delhormigón.Setratadeuna roturabienconocidaenanclajes,quesucedeenlassituaciones enlascualesexisteproximidadaunbordelibre,yseproduce porelagotamientodelacapacidadresistentedelhormigón.

La armadura Ac que rodea a los pernos conectores en la figura1sedestinaaevitarelfallopor«arrancamiento».Ambos modosde roturasonhabitualesenanclajes dehormigóny se encuentranrecogidosenlanormativa[8].

Enesta uniónlos pernosconectoreshansidodestinadosa transferirlosesfuerzosdecortantedesdelaviga(olosa)hasta elpilar.

3. Análisisporelementosfinitos

Se ha analizado mediante el método de elementos finitos (MEF) con Ansys un modelo en tres dimensiones del nudo entreunavigadehormigónyunpilarmetálico,ambosunidos mediantepernosconectores.

Enelmodelodeuniónestudiadosehanintroducidounaserie decondicionesdesfavorablesparasucomportamientomecánico conelobjetivo defacilitar losensayos experimentalesquese describenmásadelante.Ejemplodeestascondiciones desfavo-rablessonlainterrupciónenlacontinuidaddelaarmaduradel hormigón;evitarembeberelpilarmetálicodentrodelavigade hormigón;lareducidadimensióndelospernosconectores,etc. LamétricadelospernosconectoresutilizadosesФ10·100; setratadelosdemenorcalibredisponibleenelmercado.Sus dimensionessondedp1=10mmdediámetroylp1=100mmde longitud.Lafabricacióndelnudoconestospernosproporcionará lamenorresistenciaposibleyresultaasímásapropiadaparael posteriorensayoenlaboratorio.

Cabedestacarquelacapacidadresistentedelaunióndebida alfallodelaceronoestálimitadaporlastensionesobtenidasen elanálisisnuméricoporAnsys,sinoqueseencuentralimitada porlaresistenciaacortantedelospernosconectores,calculada mediante(1),donde␥correspondealfactordeseguridadde0,75 y0,64,deacuerdoalanormativa[8]y[7],respectivamente;nes elnúmerodepernos,Aneláreadelasecciónyfularesistencia

últimadelacero(450MPa).

VR=␥·n·An·fu (1)

3.1. Detallesdelmodelodemétododeelementosfinitos

Como se ha indicado previamente, el análisis numérico sobreelcomportamientomecánicodelauniónseharealizado medianteelprogramacomercialAnsys.Elmodeloseha cons-truidoapartirdelasimplificacióndelauniónrepresentadaen lafigura2.

Elacerodelospernoshasidomodelizadomedianteel ele-mento de Ansys Solid-285. Se trata de un elemento lineal, elásticoeisótropoquehasidodefinidoconunmódulode elas-ticidaddeEs=210GPayuncoeficientedePoissonde␯=0,3 (fig.2).

El hormigóndelavigase hamodelizadomedianteel ele-mentoSolid-65.Esteelementosedefinemedianteochonodos, contresgradosdelibertadcadauno:traslaciónenlosejesx,yy

z.Además,escapazdesimularlafisuraciónbajoesfuerzosde tracciónydeaplastamientobajocompresión.

Elcomportamientodelhormigónduranteelperiodoelástico se hadefinidomedianteun módulodeYoungde Ec=20GPa y un coeficiente de Poisson de ␯=0,2. Estos factores sirven para simular elhormigón en las primeras etapas, cuando las deformacionessonlineales.

Ansysanalizaladeformacióndelhormigónsuponiendo uni-doslosdistintosnodosdeloselementos.Sinembargo,esposible aplicarfactoresdereducciónparasimularladisminucióndela capacidadacortantequeocurreconlafisuración.Estos coefi-cientes, unopara fisurasabiertas yotro parafisurascerradas, deben encontrarse dentro del rango 0<␤≤1. En los mode-los analizados seha caracterizadounhormigón convencional mediantelosfactores␤t=0,4y␤c=0,4.

Ansys simula la fisuración del hormigón modificando las ecuaciones constitutivas del hormigón durante el proceso de lafisuración,generandolassuperficiesde fracturaapartir de lasfisuras.Enlosmodelosrealizados,elhormigónhasido defi-nidomedianteloscincoparámetrosdeWillam&Warnke[9]para estudiarlafisuraciónquesepuedeproducirenelhormigónen elprocesodetransmisióndelacargadesdelavigadehormigón hastaelpilar.

Figura3.ResultadosgráficosdelmodelodeMEF.a)deformaciónvertical;b)tensiónlongitudinalmáxima;c)hormigónfisurado.

Elprimervalorcorrespondealaresistenciacaracterísticadel hormigónacompresión,fck,quehasidotomadocomo25MPa.

Elsegundoeslaresistenciaatracciónftyhasidoconsiderado

comofck2/3=2,5MPadeacuerdoalaEHE[10].

La resistencia última a compresión biaxial fcb ha sido

considerada como fcd, de acuerdo a [4], y la resistencia a

compresiónhidrostáticauniaxialf1 ybiaxialf2,hansido

esti-madas como 1,45fck y 1,725fck, de acuerdo a los manuales

de Ansys sobre lasimulación de modelos conmateriales no lineales.

Los perfiles, pernos y armados de acero, y el hormigón de lavigadel modeloqueha sidoestudiado hansido malla-dosmediante elementostetraédricosde tama˜novariable. Los elementosdemenortama˜nosehanconcentradoenlas proximi-dadesdelassoldadurasdelospernos.

Enladefinicióndelmodelodeunión,lasimetríadelnudoha permitidorealizarunmodelonuméricosimétricoconlas con-siguientesventajascomputacionales.Deestemodo,elmodelo se componepor unacuartaparte delperfil HEB-140,de dos únicospernosconectoresydemediavigadehormigón,consus respectivasarmaduras.

Lascondicionesdecontornoaplicadasenelmodelo consis-tenencoaccionarlosdesplazamientosverticalesenlosnodos delasseccionessuperioreinferiordelpilar metálico. Obvia-mente,todoslosdesplazamientosperpendicularesalosplanos desimetríahansidoimpedidos.

Losdesplazamientosverticalesdelasseccionesdelas arma-duras del plano central de simetría de la viga no han sido coaccionadosparapermitirlatransmisióndelesfuerzocortante enlospernos.

Finalmente, la carga ha sido introducida mediante des-plazamientos verticales en lugar de cargas para facilitar la convergenciaenelcálculodeAnsys.

3.1.1. Resultadosdelanálisispormétododeelementos

finitos

Los resultadosmás relevantesobtenidos en elanálisispor MEFsonlacargamáximaresistentedelauniónde61kN,yel mododerotura:porfallolocaldelhormigónubicadoenlaparte superiordelasoldaduradelpernosuperior.

La figura3 muestraun resumendelos resultadosgráficos obtenidos.

3.2. Ensayosexperimentales

Sehanensayadoenlaboratoriocincoprobetasdeuniónhasta larotura.LosensayossehanrealizadoenelInstitutodeCiencias delaConstrucción(ICC)EduardoTorroja,delCSIC.

Dosdelasprobetasensayadas(probetasA)hansido fabri-cadasconformealaconfiguración,condicionesdesfavorablesy dimensionesutilizadasenlosmodelosanalizadosporMEF.

Enunadelasdosprobetasse utilizóunaláminadeteflón enlasuperficiedecontactoentrelavigadehormigónyelpilar de acero parareducir el efectodel rozamiento. Esta práctica se realiza conel fin de poder estimar la contribución quela adherenciaejercesobrelaresistenciadelaunión.

Tabla1

Resumenprobetasensayo

Probeta Pernos Adherencia Viga-pilar

A-1 4Ф10·100 Reducida(teflón) Aislado(teflón) A-2 4Ф10·100 Normal Adyacente B-1 4Ф16·125 Reducida(teflón) Adyacente B-2 4Ф16·125 Normal Adyacente

B-3 4Ф16·125 Total Embebido

losdise˜nosanterioresconelpropósitodeobtenerel comporta-mientosimilaraldelasestructurasenedificación.

Lasprobetas B han sido fabricadas con pernos de mayor diámetro(16mm),conunasarmadurasAhyAcprogresivamente superioresyB-2yB-3sinlaláminadeteflón.EnlaprobetaB-3 seha embebidoelpilarmetálico enlavigaparaaproximarse másalasituaciónrealqueseproduciría enunaestructurade edificación.Latabla1resumelascaracterísticasdelasprobetas ensayadas.

3.2.1. Materialesymétodos

Los materiales y dimensiones de cada elemento que con-formanlasprobetassonlosmismosquelosempleadosenlos modelosdeMEF.Susespecificacionesycaracterísticasse resu-menacontinuación.

LospilaresmetálicoscorrespondenaHEB-140,fabricados conaceroS-235JR.

LospernosconectoressonKöco,fabricadosenacero37,3Ky soldadossegúnlasespecificacionesdelfabricantemediantearco eléctrico,lograndounatensiónmínimagarantizadade450MPa enelfuste.

Las vigas de hormigón han sido fabricadas, como ya se haindicado,conhormigónHA25/B/20/I.Laresistenciamedia obtenidaalos28díasesde27,6MPa.Lasarmaduras correspon-denconunaceroB-500S.

Losensayosrealizados(losdosdeprobetasAylostresde probetasB)enunionessehanllevadoacabomediantela dispo-sicióndeflexiónentrespuntos.Lasunionessehandispuestoen unextremodelasvigas,demodoqueelesfuerzocortante resis-tidoporlaunióncorrespondealamitaddelacargaejercidapor elpistóndelamáquinadeensayo,dadoquelacargaseaplicaba enelcentrodelaviga.

Lafigura4muestracómolaarticulacióndelapoyose encon-trabaalineada conla caraexterior del ala del perfil. De este modolatotalidaddelareaccióndebesertransmitidamediante lospernosconectores.

Los ensayos se instrumentaron mediante transductores de desplazamientoverticalyhorizontal,talcomosepuedeobservar enlafigura4.Lastensionesproducidasenlospernosconectores yenlasarmaduras(únicamenteenlasarmadurasmáspróximas alaunión)semidieronmediantebandasextensométricas.

3.2.2. Resultados

Laresistenciaacortanteobtenidaenlosensayos experimen-talesdelasprobetasAyBseresumenenlatabla2.

Figura4.Detalledelapoyoenelensayodelnudo.

Tabla2

Resumenprobetasensayo

Probeta Resistencia(kN) Mododerotura

A-1 62,9 Fallolocalhormigón

A-2 67,1 Fallodelacero

B-1 168,5 Fallohormigón

B-2 183,4 Fallohormigón

B-3 >490 Flexiónpilar

4. Discusión

Eldise˜nodenudoestructuralqueseproponeenestetrabajose encuentraorientadoalosedificiosdeviviendasdebajaymedia altura. Lasestructuras de esta tipología de construccionesse caracterizanporlucescortas(entre3y5,5mhabitualmente)y cargasbajasdeuso(entre9y10,5kN/m2).

Enestatipologíadeestructuras,losvaloresusualesde solici-tacióndecortanteennudospuedenvariardesdelos65kNhasta los140kN.

Figura5.Comparaciónentreresultadosexperimentalesysimulaciónpormétododeelementosfinitos(MEF).

4.1. Adherenciayrozamiento

Losresultadosdelosensayosexperimentalesdelasprobetas A1,A2,B1y B2demuestranqueunapartedelasolicitación del cortante se transmiteen elnudo porrozamiento [11]. Al compararlaresistenciadelasprobetasenlasquesehareducido la adherenciadisponiendo teflón en lasuperficie de contacto entre elhormigón de lavigay el acero del perfil(A1 y B1) consusanálogassinteflón(A2yB2)seobtienequeun6yun 8%,respectivamente,delacargaestransmitidaporrozamiento atravésdelauniónalpilar.

ElresultadodelensayoexperimentaldelaprobetaB-3,enel queelpilarmetálicoseencontrabaembebidodentrodelaviga, demuestraelenormeporcentajedesolicitacióndecortanteque puede llegara ser transmitido por adherencia y cortante. En estecaso,laresistenciadelauniónsuperóconcreceslacarga

prevista,llegandoaproducirselaroturaporlaabolladuradelas alasdelperfildebidoalmomentoflectordelperfil.Esimportante destacarque,aunsillegaraalcanzarlaroturadelaunión,esta hasidocapazderesistirun350%delasolicitacióndecortante quese puedellegaraproducirenlasestructurasparalasque estasunioneshansidodise˜nadas.

4.2. Comparacióndelosresultadosdelmétodode

elementosfinitosconlosresultadosexperimentales

Alcompararlosresultadosexperimentalesconlas simulacio-nesporMEFsepuedeobservarqueelmododeroturaprevisto porAnsyscoincideconelmododeroturaobtenido experimen-talmenteenlosensayosdelaboratorio.Losresultadosobtenidos conelanálisisporMEFdemuestranqueAnsyssimula correc-tamente lafisuración del hormigónen estetipo de uniones y

queescapazdereproducirsucomportamientomecánicohasta larotura.

Sinembargo,lacargaderoturaharesultadosersuperiorenlos ensayosexperimentalesqueenlasprevisionesnuméricas.Enla figura5sepuedeobservarunacomparaciónentrelosresultados experimentalesylasimulacióndeAnsys.

Enlaparteizquierdadelafigura6sepuedeobservarla pro-betaA-2unavezalcanzadalarotura.Sepuedeverquelarotura sehaproducidoporelfallolocaldelhormigón.

Enlapartederecha(fig.5)sepuedeobservaruna superposi-ciónconlaprevisióndeAnsys.Lazonacoloreadacorresponde a los elementos de hormigón que han sido fisurados y han producidola superficie de fractura que ha hecho colapsar la unión.

Si la resistenciade la unión se encontrara limitada por la capacidadresistentedelacerodelospernos,elcortantemáximo resistidoporlaunión nopodría superar alvalor deVR. Este puedeestimarsemediantelaecuación(1).Deacuerdoala nor-mativaeuropea,másrestrictivaquelaamericana,laresistencia máximaporfallodelacerodelospernosdelasprobetastipoA ytipoBsonde90,5kNyde231,5kN.

Enla tabla2 se puedeobservar quela probetaA-2, cuya roturaseprodujoporelagotamientodelacapacidadresistente delacerodelos pernos,alcanzóunaresistenciamenorquela estimadamediantelafórmula1.Estodemuestralaimportancia delaparticipacióndelhormigónenelcomportamientomecánico delauniónyenlaestimacióndesuresistencia.

5. Conclusiones

Losresultadosobtenidosenlosensayosexperimentaleshan permitido confirmar los modos de rotura previstos por los modelosnuméricos.Sinembargo,losresultados experimenta-leshandemostradoengeneral unaresistenciade lasuniones considerablementesuperioralasestimadasporaquellos mode-los,principalmentedebidoalefectopositivodelasarmaduras derefuerzo y ala transmisiónde unafracciónsustancial del esfuerzocortanteporadherenciayrozamiento.

Eldise˜nodeuniónviga-pilarqueseexponeenestetrabajo esviablecomonudoestructuralparatransmitirlasolicitación decortantedesdelasvigas olosasdehormigónarmadohasta lospilaresmetálicos.

Launiónpropuestaaportamúltiplesy significativas venta-jasrespectoalasunionesconvencionales,comopuedenserla simplificación,laposibilidaddeindustrialización,laalta capaci-dadresistenteacortanteylagranseguridadqueofrecenpernos conectores.

Financiación

AsociaciónparalaPromociónTécnicadelAcero(APTA).

Agradecimientos

Losautoresagradecenelapoyoyfinanciaciónconfiadapor laAsociaciónparalaPromociónTécnicadelAcero(APTA),sin lacualnohubierasidoposiblerealizarestetrabajo.

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