Análisis y diseño de conectores para elementos semi colaborantes hormigón madera

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(1)PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA. ANÁLISIS Y DISEÑO DE CONECTORES PARA ELEMENTOS SEMI COLABORANTES HORMIGÓN - MADERA. ALVARO ANTONIO CARBONI MUÑOZ. Tesis para optar al grado de Magister en Ciencias de la Ingeniería. Profesor Supervisor: HERNÁN SANTA MARÍA OYANEDEL. Santiago de Chile, (Diciembre, 2010) 2010, Álvaro Carboni M..

(2) PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATOLICA DE CHILE ESCUELA DE INGENIERIA. ANÁLISIS Y DISEÑO DE CONECTORES PARA ELEMENTOS SEMI COLABORANTES HORMIGÓN - MADERA. ÁLVARO ANTONIO CARBONI MUÑOZ. Tesis presentada a la Comisión integrada por los profesores:. HERNÁN SANTA MARÍA RAFAEL RIDDELL MARIO WAGNER JUAN ENRIQUE COEYMANS Para completar las exigencias del grado de Magister en Ciencias de la Ingeniería. Santiago de Chile, (Diciembre, 2010).

(3) Para mis papás, Roberto Carboni y Patricia Muñoz. i.

(4) AGRADECIMIENTOS. Este probablemente sea el párrafo más difícil de toda esta investigación, siendo escrito como un cierre simbólico de los dos años que han transcurrido desde su inicio. El apoyo, la confianza y el ánimo que muchas de las personas que conozco me brindaron, resultó ser una pieza fundamental en el propio desarrollo de la investigación, otorgando lazos y experiencias, que enriquecen mucho mas allá de los simples resultados.. Es por esto que deseo profundamente agradecer a mi profesor guía, Hernán Santa María, por la libertad que me otorgó para desarrollar la investigación de la manera que yo deseaba. La capacidad de apoyar sin tomar el control de la investigación como supervisor y guía, es una capacidad invaluable para el desarrollo de todo investigador, pocas veces valorada en la medida que realmente corresponde.. Quiero agradecer también al profesor Alexander Fritz, por su invaluable apoyo tanto académico como personal, a los profesores e integrantes de la comisión evaluadora Juan Enrique Coeymans, Rafael Riddell y Mario Wagner por su disposición, consejos y múltiples aportes, a Manuel Rabelo y el personal del laboratorio, por su esfuerzo, cuidado e intachable entrega en la preparación y ejecución de todos los ensayos.. Por último, aunque no menos importante, agradezco a mis amigos y mi familia por la paciencia, el apoyo incondicional, el cariño y las muy necesarias sacudidas que permiten despertar cuando el cuerpo comienza a quedarse dormido. Gracias infinitas por todo eso y mucho mas, habría sido muy difícil sin ustedes.. Gracias a todos!. ii.

(5) ÍNDICE GENERAL AGRADECIMIENTOS............................................................................................... ii ÍNDICE DE FIGURAS ...............................................................................................ix ABSTRACT ..............................................................................................................xvi RESUMEN .............................................................................................................. xvii 1.. 2.. INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 1 1.1. Objetivos del trabajo propuesto ................................................................... 2. 1.2. Justificación del trabajo Propuesto............................................................... 2. 1.3. Estructura del trabajo ................................................................................... 3. ESTADO DEL ARTE ......................................................................................... 4 2.1. Contexto histórico de los elementos compuestos hormigón-madera. .......... 4. 2.1. Elementos colaborantes en la construcción.................................................. 6. 2.1.1 Acero – hormigón ..................................................................................... 6 2.1.2 Hormigón Pre/Post Tensado ..................................................................... 7 2.1.3 Otros ......................................................................................................... 9 2.2. La importancia de la madera en la Ingeniería Estructural hoy................... 10. 2.3. La experiencia chilena en uso estructural de la madera ............................. 13. 2.4. Soluciones de Corte.................................................................................... 15. 2.4.1 Conexiones en base a clavos o barras..................................................... 17 2.4.2 Tubos y placas cortas ............................................................................. 17 2.4.3 Llaves de corte y muescas en las vigas .................................................. 18 2.4.4 Conectores continuos ............................................................................. 20 2.4.5 Conexiones Adheridas ............................................................................ 21 2.5. Comportamiento de conexiones de corte semi colaborantes ..................... 21. 2.6. El trabajo experimental .............................................................................. 25 iii.

(6) 2.6.1 Ensayos de corte de la conexión............................................................. 25 2.6.2 Ensayos de Flexión ................................................................................. 31 2.7. Modelación de elementos hormigón – madera .......................................... 32. 2.7.1 FEM como herramienta .......................................................................... 32 2.7.2 Modelos planos....................................................................................... 33 2.7.3 Modelos 3D ............................................................................................ 36 2.8. Códigos de Construcción ........................................................................... 38. 2.8.1 Eurocode 5 .............................................................................................. 38 2.8.2 NCh 1198 ............................................................................................... 40 2.9 3.. El comportamiento de largo plazo ............................................................. 45. ANÁLISIS EXPERIMENTAL ......................................................................... 47 3.1. Ensayos realizados ..................................................................................... 47. 3.2. Ensayos de corte ......................................................................................... 48. 3.2.1 Diseño y descripción del ensayo ............................................................ 48 3.2.2 Resultados obtenidos .............................................................................. 53 3.3. Ensayos de vigas laminadas ....................................................................... 62. 3.3.1 Diseño y descripción del ensayo ............................................................ 62 3.3.2 Resultados obtenidos .............................................................................. 64 3.4. Ensayos de vigas con losa colaborante ...................................................... 67. 3.4.1 Diseño y descripción del ensayo ............................................................ 67 3.4.2 Resultados obtenidos .............................................................................. 69 4.. ANÁLISIS NUMÉRICO .................................................................................. 79 4.1. Modelo plástico 2D (Ensayo Push Out, ANSYS) ..................................... 79. 4.1.1 Elementos Finitos Utilizados.................................................................. 79 4.1.2 Definición de la malla ............................................................................ 81 4.1.3 Materiales ............................................................................................... 82 iv.

(7) 4.1.4 Definición de los modelos ...................................................................... 89 4.1.5 Modelos desarrollados ............................................................................ 94 4.2. Modelo tipo Truss de vigas con losa colaborante (2ª Generación) ........... 96. 4.3. Resultados .................................................................................................. 99. 4.3.1 Modelos de ANSYS ............................................................................... 99 4.3.2 Modelos de Segunda Generación ......................................................... 109 5.. COMPARACIÓN DE RESULTADOS .......................................................... 115 5.1. Ensayos de corte vs. ANSYS ................................................................... 115. 5.1.1 Rigidez y plasticidad ............................................................................ 115 5.1.2 Comportamiento experimental en ensayos de losa colaborante ........... 120 5.1.3 Sensibilidad del modelo de ANSYS .................................................... 123 5.2. Ensayos de flexión vs. modelos en SAP ................................................ 132. 5.2.1 Deflexiones ........................................................................................... 132 5.2.2 Comparación de rigidez y tensiones ..................................................... 135 5.2.3 Sensibilidad de la geometría en conectores .......................................... 140 5.2.4 Sensibilidad de la rigidez de conectores ............................................... 143 5.2.5 Sensibilidad de EW en la madera .......................................................... 144 5.2.6 Sensibilidad de EC del hormigón .......................................................... 146 6.. METODOLOGÍA DE DISEÑO PROPUESTA .............................................. 147 6.1. Normas a usar ........................................................................................... 147. 6.2. Expresiones de diseño sugeridas .............................................................. 147. 6.2.1 Expresiones para conexiones clavadas. ................................................ 148 6.2.2 Expresiones para conexiones de Llave de Corte. ................................. 151 6.3 7.. Verificación de las expresiones propuestas.............................................. 155. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES .............................................. 159 7.1. Conclusiones ............................................................................................ 159 v.

(8) 7.2. Recomendaciones ..................................................................................... 162. REFERENCIAS ....................................................................................................... 164 ANEXOS .................................................................................................................. 170 ANEXO A: BITÁCORAS DE ENSAYOS.............................................................. 171 A.1. Ensayo Push Out, probeta clavada 01 ..................................................... 171 A.2. Ensayo Push Out, probeta clavada 02 ..................................................... 175 A.3. Ensayo Push Out, probeta con llave de corte 01 ..................................... 179 A.4. Ensayo Push Out, probeta con llave de corte 02 ..................................... 183 A.5. Ensayo de viga laminada 01 .................................................................... 186 A.6. Ensayo de viga laminada 02 .................................................................... 188 A.7. Ensayo de losa colaborante 01 ................................................................ 190 A.8. Ensayo de losa colaborante 02 ................................................................ 193 ANEXO B: ESTIMACIÓN DE PROPIEDADES DE ENSAYOS ......................... 198 B.1. Cálculo del módulo de elasticidad en flexión de la madera .................... 198 B.2. Cálculo de Colaboración Efectiva ........................................................... 199 B.3. Cálculo de Ff ............................................................................................ 202 B.4. Cálculo de FCZ y propiedades de madera experimental ......................... 202 ANEXO C: RESULTADOS DE MODELOS OBTENIDOS EN ANSYS ............. 205 C.1. Modelos con conexión clavada ................................................................ 205 C.2. Modelos con conexión de llave de corte.................................................. 207 ANEXO D: APLICACIÓN DE EXPRESIONES DE DISEÑO .............................. 219 D.1. Estimación de rigidez usando expresiones de NCH 1198 ....................... 219 D.2. Ejemplo de diseño usando metodología propuesta (Llave de corte) ....... 225 D.3. Ejemplo de diseño usando metodología propuesta (Conexión clavada) .. 228. vi.

(9) ÍNDICE DE TABLAS Tabla 2-1: Energía y huella de carbono para materiales de construcción (Fuente: Perez N. , 2008). ............................................................................................................... 12 Tabla 2-2: Clasificación de conectores de corte según nivel de colaboración (Fuente: Ceccotti, 1995). ................................................................................................................ 16 Tabla 2-3: Tensiones admisibles según NCH 1198 (Fuente: INN, 2006).................. 43 Tabla 2-5: Propiedades mecánicas básicas para madera Laminada (Fragmento) (Fuente: Perez V. , 2007). ................................................................................................ 44 Tabla 3-1: Resumen de ensayos Push-Out (Fuente: Elaboración propia). ................. 53 Tabla 3-2: Resumen ensayos de vigas laminadas (Fuente: Elaboración propia). ...... 64 Tabla 3-3: Resumen de ensayos de Losa Colaborante (Fuente: Elaboración propia). .......................................................................................................................................... 70 Tabla 4-1: Propiedades de madera para los modelos analizados (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 86 Tabla 4-2: Propiedades de modelos analizados (Fuente: Elaboración propia). ......... 95 Tabla 4-3: Resumen de resultados para modelos de conexiones clavadas (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 100 Tabla 4-4: Resultados de modelos desarrollados en ANSYS (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................................................................... 104 Tabla 4-5: Tensiones en el eje X para los modelos analizados (ton/cm2) (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 106 Tabla 4-6: Tensiones en el eje X para los modelos analizados (ton/cm2) (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ............................................................... 107 Tabla 4-7: Tensiones en la madera al centro del vano para modelos de SAP (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 110 Tabla 5-1: Rigideces estimadas de conectores en ensayos de losa colaborante (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 121 Tabla 5-2: Error del valor de EI respecto a rigidez experimental (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................................................................... 136 vii.

(10) Tabla 5-3: Tensiones máximas y en el C. G. según modelo SAP y NCh1198. P=4.5 ton (Fuente: Elaboración propia). .................................................................................. 138 Tabla 5-4: Deformaciones y tensiones obtenidas para distintas posiciones del resorte (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 141. viii.

(11) ÍNDICE DE FIGURAS Figura 2-1: Instalación de conectores de corte en vigas metálicas (Fuente: AISC) ..... 7 Figura 2-2: Vigas postensadas con armadura para colaboración (Fuente: www.Archiexpo.com, 2010) .............................................................................................. 8 Figura 2-3: Instalación de refuerzos estructurales en CFRP (Fuente: CPS Construction) ...................................................................................................................... 9 Figura 2-4: Vivienda Cero Emisiones, Inglaterra (Fuente: BBC NEWS, 2007). ...... 11 Figura 2-5: Impacto ambiental calculado por el ACV de distintos materiales de construcción (Fuente: Panel Intergubernamental del Cambio Climático, 2009). ............ 12 Figura 2-6: Primera estructura laminada en Chile (Fuente: Perez V. , 2007). ........... 14 Figura 2-7: Conectores de corte simples (Fuente: Molina, 2008). ............................. 17 Figura 2-8: Conexión de placas cortas (Fuente: Lukaswezka, Johnson, & Fraggiacomo, 2008) y de tubo de acero (Fuente: Deam, Fragiacomo, & Buchanan, 2008). ............................................................................................................................... 18 Figura 2-9: Ejemplo de Llave de corte de hormigón (Fuente: Elaboración propia) .. 19 Figura 2-10: Modelo de llave de corte diseñado por Gutowski et al (2008) .............. 19 Figura 2-11: Vista esquemática de un sistema de corte. continuo (Fuente:. Lukaswezka & Fragiacomo, 2010) .................................................................................. 20 Figura 2-12: Tensiones en flexión con colaboración parcial (Fuente: Elaboración propia) .............................................................................................................................. 23 Figura 2-13: Esquema de ensayo de corte tipo “Carga Diagonal” (Fuente: Clouston, Bathon, & Schreyer, 2005)............................................................................................... 27 Figura 2-14: Ensayo de corte directo (Fuente: Elaboración propia) .......................... 28 Figura 2-15: Ensayo Horizontal propuesto por Deam et al (2008). ........................... 29 Figura 2-16: Ensayo de corte Simétrico (Fuente: Elaboración Propia)...................... 30 Figura 2-17: Vista esquemática de un ensayo de flexión en corto plazo ................... 32 Figura 2-18: Esquema de modelo de barras (Fuente: Lukaswezka, Johnson, & Fraggiacomo, 2008) ......................................................................................................... 34. ix.

(12) Figura 2-19: Modelo de barras para conectores continuos (Fuente: Bathon & Clouston, 2, 2004) ............................................................................................................ 34 Figura 2-20: Modelo 2D desarrollado por Balogh et al (2002) .................................. 35 Figura 2-21: Modelo desarrollado por Kharouf et al. (2003) ..................................... 36 Figura 2-22: Modelo 3D de un cuarto de probeta (Fuente: Dias et al, 2007) ............ 37 Figura 2-23: Sección colaborante de referencia (Fuente: INN, 2006). ...................... 41 Figura 3-1: Vista esquemática del ensayo de corte implementado (Push-Out test) (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 49 Figura 3-2: Implementación del ensayo en laboratorio (Fuente: Elaboración propia). .......................................................................................................................................... 50 Figura 3-3: Vista esquemática de probeta con conexión clavada (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 50 Figura 3-4: Vista de probeta y detalle de Lllave de corte (dimensiones en mm.) (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 52 Figura 3-5: Curva de carga/deslizamiento relativo para probeta clavada 01 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 54 Figura 3-6: Curva de carga/deslizamiento relativo para probeta clavada 02 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 55 Figura 3-7: Detalle de falla en ensayo 01 de Llave (Fuente: Elaboración propia). .... 56 Figura 3-8: Daño local en la viga producido por los conectores (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 56 Figura 3-9: Curva de carga/deslizamiento relativo para probeta con llave de corte 01 (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 57 Figura 3-10: Curva de carga/deslizamiento relativo para probeta con llave de corte 02 (Fuente: Elaboración propia)....................................................................................... 57 Figura 3-11: Falla en la losa, ensayo de Llave de corte 01 (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 59 Figura 3-12: Falla en la Llave de corte, ensayo 02 (Fuente: Elaboración propia). .... 59. x.

(13) Figura 3-13: Marcas de aplastamiento local en el plano de contacto de la Llave de Corte (Fuente: Elaboración propia). ................................................................................. 60 Figura 3-14: Vista esquemática del ensayo de viga laminada (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 62 Figura 3-15 : Montaje del ensayo de viga laminada en Laboratorio (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 63 Figura 3-16: Detalle de los apoyos usados en los ensayos (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 63 Figura 3-17: Curva momento de flexión /deformación en el vano, viga 01 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 65 Figura 3-18: Curva momento de flexión/deformación en el vano, viga 02 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 65 Figura 3-19: Efecto de juntas en las fallas de las Vigas Laminadas (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 66 Figura 3-20: Vista esquemática del ensayo de flexión de losa colaborante (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 68 Figura 3-21: Dimensiones (mm) del ensayo de flexión de losa colaborante (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 68 Figura 3-22: Implementación del ensayo de losa colaborante en laboratorio (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 69 Figura 3-23: Curva de deformación en el centro del vano. Ensayo de losa colaborante 01 (Fuente: Elaboración propia)....................................................................................... 70 Figura 3-24: Curva de deformación en el centro del vano. Ensayo de losa colaborante 02 (Fuente: Elaboración propia)....................................................................................... 71 Figura 3-25: Falla por flexión en ensayo 01 y falla por cizalle en ensayo 02 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 72 Figura 3-26: Curva de deslizamiento relativo hormigón - madera, ensayo 01 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 73. xi.

(14) Figura 3-27: Curva de deslizamiento relativo hormigón - madera, ensayo 01 (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ................................................................. 74 Figura 3-28: Curva de deslizamiento relativo hormigón - madera, ensayo 02 (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 74 Figura 3-29: Curva de deslizamiento relativo hormigón - madera, ensayo 02 (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ................................................................. 75 Figura 3-30: Curva de deslizamiento relativo hormigón - hormigón, ensayo 01 (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 75 Figura 3-31: Curva de deslizamiento relativo hormigón - hormigón, ensayo 01 (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ................................................................. 76 Figura 3-32: Curva de deslizamiento relativo hormigón - hormigón, ensayo 02 (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 76 Figura 3-33: Curva de deslizamiento relativo hormigón - hormigón, ensayo 02 (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ................................................................. 77 Figura 4-1: Elemento Plane 82 (Fuente: Manual ANSYS 12). .................................. 80 Figura 4-2: Elementos de contacto (Fuente: Manual ANSYS 12). ............................ 80 Figura 4-3: Malla obtenida para el modelo de ANSYS ............................................. 82 Figura 4-4: Comportamiento de las propiedades de la madera en modelo Hill (Fuente: Elaboración propia)............................................................................................ 85 Figura 4-5: Curva tensión – Deformación para el modelo de hormigón (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 87 Figura 4-6: Curva tensión-deformación para el modelo de Acero. (Fuente:. Elaboración propia). ......................................................................................................... 88 Figura 4-7: Geometría tipo 1 (Fuente: Elaboración propia). ...................................... 90 Figura 4-8: Geometría tipo 2 (Fuente: Elaboración propia). ...................................... 90 Figura 4-9: Geometría tipo 3 (Fuente: Elaboración propia). ...................................... 90 Figura 4-10: Disposición de materiales y tipo de elementos finitos asignados (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 91. xii.

(15) Figura 4-11: Disposición de planos de contacto en modelo (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................................................................. 91 Figura 4-12: Configuración de apoyos 1 (Fuente: Elaboración propia). .................... 93 Figura 4-13: Configuración de apoyos 2 (Fuente: Elaboración propia). .................... 93 Figura 4-14: Configuración de apoyos 3 (Fuente: Elaboración propia). .................... 93 Figura 4-15: Variación de la configuración de apoyos 3 (configuración 4) (Fuente: Elaboración propia). ......................................................................................................... 94 Figura 4-16: Modelo de barras flexurales en SAP (Fuente: Elaboración propia). ..... 97 Figura 4-17:Viga de modelo A (Fuente: Elaboración propia). .................................. 98 Figura 4-18: Viga de modelo B (Fuente: Elaboración propia). .................................. 98 Figura 4-19: Viga de modelo C (Fuente: Elaboración propia). .................................. 98 Figura 4-20: Ubicación de los puntos de medida 1 a 6 (Fuente: Elaboración propia). .......................................................................................................................................... 99 Figura 4-21: Curvas de carga/deslizamiento relativo según madera utilizada (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 100 Figura 4-22: M02: Curvas de carga/deslizamiento relativo por punto de toma de datos (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................... 101 Figura 4-23: M04: Curvas de carga/deslizamiento relativo por punto de toma de datos (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................... 101 Figura 4-24: M02: Distribución de tensiones en. el eje X para carga máxima. (unidades en ton/cm2) (Fuente: Elaboración propia). .................................................... 102 Figura 4-25: Curva de carga – deslizamiento relativo según condiciones de borde (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 105 Figura 4-26: Curva de carga – deslizamiento relativo según madera usada (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 105 Figura 4-29: Diagrama de momento en la viga (Fuente: Elaboración propia). ........ 110 Figura 4-30: Diagrama de carga axial en la viga (Fuente: Elaboración propia). ..... 110 Figura 4-31: Curvas de deflexión al centro del vano (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................................................................................ 111 xiii.

(16) Figura 4-32: Momento flector en losa para P=4.5 Ton. (colores en 10E-3 ton·m) (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 112 Figura 4-33: Momento flector en losa para peso propio. (Colores en 10E-3 ton·m) (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 112 Figura 5-1: Resultados experimentales y del modelo de ANSYS para conector de clavos (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................. 115 Figura 5-2: Modo de falla según modelo ANSYS. Tensiones en ton/cm2, deformación amplificada x10 (Fuente: Elaboración propia). ....................................... 116 Figura 5-3: Modo de fallo observado en ensayos (Fuente: Elaboración propia). .... 117 Figura 5-4: Comparativa de resultados experimentales y del modelo de ANSYS para conector de llave de corte (Fuente: Elaboración propia). .............................................. 118 Figura 5-5: Tensiones en el eje X, modelo M01 (ton/cm2). Se aprecian las áreas traccionadas en el hormigón (Fuente: Elaboración propia). .......................................... 119 Figura 5-6: Curva estimada de carga/deslizamiento relativo en ensayo de losa colaborante 02 (Fuente: Elaboración propia). ................................................................ 121 Figura 5-7: Curva estimada de carga/deslizamiento relativo en ensayo de losa colaborante 02 (Continuación) (Fuente: Elaboración propia). ....................................... 122 Figura 5-8: Curvas de carga/deslizamiento relativo para distintos coeficientes de roce (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 124 Figura 5-9: Curva de sensibilidad para roce Hormigón – Madera en llave de corte (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 124 Figura 5-10: Curvas carga vs deslizamiento relativo para distintas calidades de madera (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................ 126 Figura 5-11: Sensibilidad de la rigidez de conectores respecto del módulo de elasticidad de las fibras longitudinales (EL) (Fuente: Elaboración propia). ................... 127 Figura 5-12: Curvas carga vs deslizamiento relativo para distintas calidades de hormigón (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................ 128 Figura 5-13: Sensibilidad de la rigidez de conectores respecto del módulo de elasticidad del hormigón (Fuente: Elaboración propia). ................................................ 129 xiv.

(17) Figura 5-14: Modelo en ANSYS de probeta con “nidos” (ver muescas alrededor de los pernos) (Fuente: Elaboración propia). ...................................................................... 130 Figura 5-15: Curvas de modelo M02 modificado (Fuente: Elaboración propia). .... 131 Figura 5-16: Curvas de carga / deformación en el vano para C obtenido de modelos de ANSYS (Fuente: Elaboración propia). ...................................................................... 132 Figura 5-17: Curvas de carga / deformación en el vano para C obtenido de ensayos Push-Out (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................ 133 Figura 5-18: Curvas de carga / deformación en el vano para C obtenido de ensayos de losa colaborante (Fuente: Elaboración propia). ......................................................... 134 Figura 5-19: Secciones usadas para el cálculo de. (Fuente: Elaboración propia).. ........................................................................................................................................ 136 Figura 5-20: Diagrama de momentos para conectores en el plano losa-viga (Fuente: Elaboración propia). ....................................................................................................... 140 Figura 5-21: Diagrama de momentos para resortes en la base de las llaves de corte (Fuente: Elaboración propia).......................................................................................... 140 Figura 5-22: Sensibilidad de las deformaciones normalizadas respecto de la posición del conector (Fuente: Elaboración propia). .................................................................... 142 Figura 5-23: Curva de deformaciones normalizadas en el vano / rigidez de conectores (Fuente: Elaboración propia). ...................................................................... 143 Figura 5-24: Curva de deformaciones normalizadas en el vano / rigidez de conectores para distintas calidades de madera (Fuente: Elaboración propia). ............... 144 Figura 5-25: Curva de sensibilidad de las deformaciones respecto de la calidad de la madera (Fuente: Elaboración propia). ............................................................................ 145 Figura 5-26: Curva de sensibilidad de las deformaciones respecto de la calidad del hormigón (Fuente: Elaboración propia). ........................................................................ 146. xv.

(18) ABSTRACT. Wood–concrete semi-composite elements were first used in the late 30‟s. Only in the last decade, new connectors and better performance solutions have emerged for these composite systems. Research in Chile, however, is almost unknown, being this investigation one of the first of it‟s kind among national researches.. Considering two types of shear connectors – one based on equally spaced nails and the other using concrete shear keys on the wood beams – an experimental study of the shear connectors and the complete composite system, a finite element elasto-plastic modeling of the connectors, and a frame elastic computer model of the composite were made. Based on these analyses, design expressions were proposed for these types of connectors.. From the results of the inelastic computer models, a prediction of the failure mode and load was achieved, failing to predict in a satisfactory range the stiffness and ductility, when compared to the shear tests of the laboratory probes. Several observations, mostly related to the 2D representation of the models, were made. The elastic models, however, showed a good performance in predicting he stresses and the deformations of the composite system.. Based on the expressions presented for composite nailed connections given by EUROCODE 5 and NCh1198 Of.2006, specific design equations were proposed for the shear-key type connector, with minor observations to the design expressions available for the nailed connections. The comparative analysis between the design method, the experimental results and the elastic computational models gave a good correlation and conservative results for the design expressions.. xvi.

(19) RESUMEN. El diseño de elementos semi colaborantes hormigón – madera data de alrededor de 1930, pero recién en los últimos veinte años la investigación de nuevos conectores y soluciones para mejorar el desempeño de estos sistemas colaborantes ha crecido de manera sostenida. En Chile, sin embargo, estos desarrollos son casi desconocidos, siendo esta investigación una de las primeras en su tipo llevadas a cabo en el país.. Tomando como objeto de análisis dos tipos de conectores, se realizó un análisis consistente en ensayos experimentales de conectores. modelos elasto plásticos de. elementos finitos de los conectores de corte, modelos elásticos computacionales de barras para el sistema compuesto completo y un análisis comparativo de los resultados obtenidos. Con toda esta información, se propusieron expresiones de diseño para estos tipos de conectores.. Los resultados de los modelos plásticos computacionales fueron capaces de predecir el modo y la carga de fallo de las conexiones con una precisión aceptable, pero no pudieron predecir adecuadamente los módulos de rigidez ni la ductilidad de las conexiones. Varias observaciones, mayormente relacionadas con la representación 2D de los modelos, fueron realizadas. Los modelos de barras que representan los ensayos de flexión de laboratorio, no obstante, mostraron un buen desempeño en la predicción de esfuerzos y deflexiones.. Basados en las expresiones para conexiones clavadas semi colaborantes de EUROCODE 5 y NCh1198 Of.2006, se propusieron expresiones de diseño específicas para la conexión tipo llave de corte. La comparación entre los resultados del método propuesto, los resultados experimentales y los modelos computacionales, mostraron una buena correlación y resultados conservadores, por parte de las expresiones de diseño. xvii.

(20) 1. 1. INTRODUCCIÓN. Con renovada fuerza, la madera ha ido retomando una posición central dentro de los materiales estructurales alrededor del mundo. Renovable, durable con una adecuada mantención, con excelente comportamiento sísmico y costos competitivos frente a otros materiales de construcción, está liderando la nueva generación de estructuras de alta eficiencia energética y reducido impacto ambiental. Su integración con materiales de avanzada, como fibras de carbono y adhesivos así como el uso de nuevas tecnologías de construcción permiten mejorar su desempeño y alcanzar nuevas soluciones, tanto desde la ingeniería como desde el diseño y la arquitectura.. La fabricación de entrepisos más eficientes, como son los entrepisos colaborantes en hormigón y madera, es solo una arista de las muchas áreas en las que la madera está al frente de la producción de materiales de vanguardia para la construcción, siendo muchas veces usada en forma de elementos mejorados como son el LVL o los laminados.. La colaboración de materiales tiene una serie de ventajas, en las que se incluyen una menor cantidad de materiales y recursos requeridos, elementos más ligeros, y por ende con mejores comportamientos frente a sismos, menores vibraciones, deflexiones y la posibilidad de alcanzar mayores luces que sistemas tradicionales para los mismos niveles de solicitaciones.. La presente investigación comprende un análisis computacional y experimental en el corto plazo a dos soluciones de losas parcialmente colaborantes, para determinar el comportamiento de estos elementos, inéditos en nuestro país, y analizar la factibilidad técnica de su introducción a las técnicas de construcción chilenas..

(21) 2. 1.1. Objetivos del trabajo propuesto. Los objetivos de la presente investigación son: Evaluar experimentalmente dos sistemas colaborantes madera-hormigón. Evaluar numéricamente dos sistemas colaborantes madera-hormigón. Proponer un método de diseño de los dos sistemas colaborantes.. 1.2. Justificación del trabajo Propuesto. En la situación actual Chilena, donde tenemos avances importantes en la producción de madera (solo en 2004, las exportaciones asociadas a productos de la madera, alcanzaron la cifra de U$ 3.397.000.000 (Bosques para Chile, 2009)), la necesidad de la investigación, el desarrollo y la innovación en la construcción en madera es un paso imprescindible que será cada vez más gravitante dentro de los próximos años.. Por esto, la investigación de las tecnologías probadas en el exterior, aplicadas a la realidad Chilena, resulta fundamental para entregar nuevas alternativas que renueven la construcción en Chile, encaminándola hacia la sustentabilidad, la eficiencia y la integración de tecnologías que permitan mejorar la calidad de vida de las personas. Los resultados que se espera obtener de esta investigación, son un importante primer paso para el desarrollo de soluciones con colaboración parcial en nuestro país, dando la base para futuras investigaciones, como el comportamiento de largo plazo y el desarrollo de nuevas soluciones..

(22) 3. 1.3. Estructura del trabajo. Este trabajo se divide en seis capítulos principales: Capítulo 1.. Propuesta de Trabajo, descripción y justificación de alcances. Capítulo 2.. Estado del Arte. Capítulo 3.. Análisis experimental del comportamiento en corte y flexión de vigas provistas de modelos de conectores de corte escogidos. Capítulo 4.. Análisis de Elementos Finitos del comportamiento de los conectores de corte. Análisis del efecto de modificaciones al diseño propuesto. Capítulo 5.. Comparación de resultados numéricos y experimentales. Análisis de sensibilidad en algunos parámetros de modelos. Capítulo 6.. Propuesta de metodología de diseño, aplicable a las normas chilenas vigentes.. Capítulo 7.. Conclusiones finales y recomendaciones.

(23) 4. 2. ESTADO DEL ARTE. 2.1. Contexto histórico de los elementos compuestos hormigón-madera.. El uso de materiales compuestos, combinados de manera cuidadosa para obtener soluciones que reúnan las mejores características de sus materiales componentes, es tan antiguo como uno pueda imaginar. Los primeros indicios de uso de materiales compuestos corresponden a los primitivos adobes fabricados en Egipto antes del siglo 14 A.C. en base a arcillas gruesas y fibras vegetales secas El salto desde la simple composición de materiales hasta el concepto de colaboración, sin embargo, tardó algún tiempo en ser desarrollado en la manera que hoy lo conocemos.. Inventado como una tecnología de guerra, las primeras aplicaciones de colaboración entre materiales corresponden con seguridad a la fabricación de arcos de guerra, en distintas partes del mundo. Ejemplos como el Arco Japonés, fabricado con dos piezas de Bambú o el temido Arco Mongol fabricado con Tendones y Cuernos desde alrededor del 1200 D.C. (Oestmoen, 2002) son excelentes ejemplos.. La historia de los materiales compuestos y colaborantes modernos, se inició alrededor de 1930 con la creación, accidental, del compuesto de fibra de vidrio. Entre los años 30 y el inicio de la Segunda Guerra Mundial, aparecieron múltiples nuevos adhesivos principalmente enfocados en la producción de materiales compuestos (Strong, 2002). Mientras se fabricaban los primeros puentes de vigas de acero con conectores de corte al hormigón. Hacia 1932, se comienzan a probar las primeras losas cortas de autopista en hormigón y tensores de madera en Oregón, Estados Unidos (Baldcock, 1941)..

(24) 5. En el ámbito residencial, los primeros diseños para pisos hormigón - madera aparecen alrededor de 1977 (Hurst et al, 1977) (Giuriani & Ronca, 1990). En los años siguientes junto con investigaciones sobre las aplicaciones a la reparación y refuerzo de estructuras históricas, el desarrollo de nuevas soluciones parcial y totalmente colaborantes en hormigón-madera ha ido mejorando constantemente y ganando adeptos en distintas partes del mundo.. A pesar de ser creciente, la Investigación sobre soluciones de hormigón-madera a nivel global es poco contrastable de una solución a otra, tanto por las metodologías de ensayo (Carvalho & Carrasco, 2010) como por el hecho de que muchas veces la cantidad de ensayos es insuficiente como para poder caracterizar adecuadamente una familia de conexiones (Dias et al, 2007). Otros factores que a la fecha han sido poco investigados resultan relevantes en el comportamiento de estos elementos, como es la humedad absorbida por la madera del hormigón fresco, o el tamizado de la mezcla de hormigón usado, que se ha demostrado, pueden influir en el comportamiento experimental y eventualmente en el comportamiento en servicio de estos sistemas (LeBorgne & Gutkowski, 2010)..

(25) 6. 2.1 Elementos colaborantes en la construcción. 2.1.1. Acero – hormigón. Las vigas de acero con losa colaborante de hormigón son un tema de amplio y conocido uso en estructuras industriales, aunque su uso residencial también es conocida fuera de nuestro país, debido a su buena relación peso resistencia, en conjunto con varias ventajas constructivas y operacionales. En el caso de vigas de acero, se aplican las disposiciones de AISC-LRFD 360-05 en su capítulo I, que trata específicamente el tema de diseño de elementos colaborantes. La colaboración de materiales puede ser para cargas vivas y muertas, o solo para cargas vivas, dependiendo ello del método constructivo usado. En ambos casos, la norma especifíca que se deben diseñar y ubicar conectores de corte a lo largo del ala superior de la viga, permitiendo que se transfiera la carga máxima admisible de la viga de acero, o de la sección efectiva de hormigón, cual sea que controle (disposiciones punto I3-1b).. Se determinan además consideraciones para losas con base metálica (Metalcon ® y similares) que trabajan en conjunto con los sistemas tradicionales de viga y losa colaborante.. El diseño de las vigas debe realizarse de acuerdo al resto de las disposiciones del código AISC, siendo temas a considerar la aparición de inestabilidades locales en elementos de grandes dimensiones (pandeo local del alma, etc.). Hay disposiciones especiales que deben ser consideradas en el caso de diseñar estas vigas para puentes, las que se encuentran contenidas en el Manual de Carreteras..

(26) 7. Respecto al comportamiento de estos puentes, la alta rigidez de las vigas de acero, en conjunto con el uso de cantidades adecuadas de elementos de corte, permiten que para efectos de diseño, la colaboración entre elementos sea completa, siendo generalmente ignorado el efecto de los pernos y el deslizamiento relativo entre elementos, salvo para temas de investigación específicos (ver Figura 2-1).. Figura 2-1: Instalación de conectores de corte en vigas metálicas (Fuente: AISC). 2.1.2. Hormigón Pre/Post Tensado. El uso de conectores de corte, en conjunto con la adherencia propia que se produce entre las vigas de hormigón pretensado al momento de vaciar las losas sobre estas vigas, hace que el diseño considerando la colaboración entre materiales aparezca naturalmente. Al igual que en el caso del acero, los sistemas de piso basados en vigas pretensadas son principalmente usados en obras viales, encontrando dentro de la norma ACI 318 y el Manual de Carreteras, las disposiciones requeridas para el diseño. A diferencia del caso.

(27) 8. del acero, en el hormigón pretensado los conectores de corte se suelen diseñar como tramos salientes de la armadura propia de la viga. Para asegurar una adecuada transmisión de las cargas y una buena superficie de contacto, estas vigas además suelen tener un ala superior de gran ancho (ver Figura 2-2).. El proceso de diseño para vigas colaborantes de este tipo es análogo al caso con vigas de acero, determinándose la cantidad de conectores de corte necesarios para transmitir la totalidad del flujo de corte requerido, y suponiendo una colaboración perfecta en el cálculo y la estimación del comportamiento global del conjunto.. Figura 2-2: Vigas postensadas con armadura para colaboración (Fuente: www.Archiexpo.com, 2010).

(28) 9. 2.1.3. Otros. Otras soluciones menos convencionales se usan actualmente para la fabricación de elementos colaborantes, especialmente en el área de la rehabilitación y el refuerzo estructural de elementos deteriorados o que requieren una mejora en su capacidad resistente (Campilho et al, 2010). Uno de los ejemplos más notorios de esta clase de refuerzos es el uso de Fibras de Vidrio o Fibras de Carbono exteriores para el refuerzo tanto en flexión como en corte de vigas dañadas (ver Figura 2-3). En algunos casos también se ha usado como refuerzo confinante de columnas de hormigón o en elementos de madera (De Paula, 2005).. Figura 2-3: Instalación de refuerzos estructurales en CFRP (Fuente: CPS Construction). La aplicación de estos refuerzos requiere una limpieza minuciosa de las superficies a pegar, que deben tener la resistencia suficiente para transmitir el corte en la interfaz. Estas se pegan por medio de combinaciones de resinas (dependiendo del fabricante y la solución específica, pero generalmente basados en un imprimante y un adhesivo) y la.

(29) 10. posterior aplicación del refuerzo, el cual se adhiere por medio de la resina al elemento que es reforzado (Luggin, 1998).. 2.2. La importancia de la madera en la Ingeniería Estructural hoy. El mundo actual, cada vez más consciente de los efectos ambientales de la construcción y en busca de métodos constructivos más económicos, renovables y energéticamente eficientes, ha puesto sus ojos en la madera como punta de lanza en las nuevas tecnologías de materiales para la pequeña y mediana construcción, con especial fuerza en países con una importante tradición en la construcción en madera, como son Estados Unidos, Canadá, los países del norte de Europa y Nueva Zelanda.. En la actualidad, los edificios y el desarrollo de la construcción son una importante proporción dentro de la emisión mundial de gases de invernadero, consumiendo un 45% de la energía generada en el mundo, únicamente en calefacción, iluminación y ventilación de los mismos, mientras que aproximadamente el 5% es usado en la construcción. Esto implica que la construcción y operación de estructuras actuales es responsable de la mitad de las emisiones de gases invernadero mundiales. Respecto al agua, se calcula que el 40% del agua utilizada en el mundo se utiliza en instalaciones sanitarias y otros usos en edificios (Hyett, 2005).. Ante esta situación, la necesidad de buscar métodos de construcción sostenibles se hace más relevante que nunca y la madera se presenta como la mejor opción en materiales de construcción. Es así como se han logrado proyectos piloto tales como la “Vivienda Cero Emisiones” terminada en Junio del 2007, que con una construcción íntegramente en madera y una serie de tecnologías de aprovechamiento energético, logra un gasto anual en electricidad de apenas US$62 (ver Figura 2-4) (BBC NEWS, 2007)..

(30) 11. Figura 2-4: Vivienda Cero Emisiones, Inglaterra (Fuente: BBC NEWS, 2007).. Por otro lado, el cultivo de bosques para la producción de madera, contrario a lo que se podría pensar, es una alternativa beneficiosa para el medioambiente, ya que los bosques en etapa de crecimiento muestran las mayores tasas de absorción y fijación de carbono, muy superiores a lo que ocurre en bosques maduros.. Para calcular el impacto ambiental de los materiales de construcción en su vida útil, desde la elaboración hasta su desecho, en los países desarrollados se ha instaurado el Análisis de Ciclo de Vida (ACV), que resulta una muy poderosa herramienta para el análisis comparativo de los efectos ambientales asociados a las técnicas constructivas. Un ejemplo de los resultados que esta metodología entrega se puede ver en la Figura 2-5..

(31) 12. Figura 2-5: Impacto ambiental calculado por el ACV de distintos materiales de construcción (Fuente: Panel Intergubernamental del Cambio Climático, 2009).. Los últimos estudios que se han realizado con estas herramientas, muestran que el impacto de la construcción en madera, respecto de su huella de carbono, es de hecho, compensado con creces por el proceso de crecimiento de los bosques. Estudios realizados en la Universidad de Victoria en Wellington, Nueva Zelanda, permitieron estimar el consumo energético y la huella de carbono de distintos materiales, obteniendo los resultados mostrados en la Tabla 2-1.. Tabla 2-1: Energía y huella de carbono para materiales de construcción (Fuente: Perez N. , 2008). 3. MATERIAL. MJoule/M. KG CO2/M. ALUMINIO. 517.185. 21.600. CEMENTO. 12.005. 1.939. ACERO. 245.757. 9.749. MAD. LAMINADA. 5.727. -479. 3.

(32) 13. Estas razones, en conjunto con el buen comportamiento sísmico de la construcción en madera y los avances en tecnologías de preservación y mantención de las estructuras, otorgan a la madera un lugar privilegiado dentro del desarrollo de la construcción en el mundo.. 2.3. La experiencia chilena en uso estructural de la madera. La construcción en madera en Chile fuera del ámbito tradicional, se ha visto históricamente disminuida en la relevancia que debería tener como material para la gran construcción, acabando relegada a la construcción habitacional más modesta y al uso en estructuras livianas. Su desventaja competitiva se centra en dos aspectos importantes. En primer lugar tenemos que culturalmente en Chile, las personas prefieren estructuras de materiales más sólidos y pesados, como albañilería y hormigón, que soportan mejor la falta de mantenimiento adecuado a la que usualmente se ven sometidas las estructuras residenciales, asociando la construcción de viviendas estructuradas en madera a una calidad estructural inferior. Por otro lado, el costo de una estructura construida en madera es más alto que construir en albañilería confinada, a pesar de que la madera permite menores plazos de construcción. Por otro lado, Chile no cuenta con una industria de construcción que provea elementos prefabricados, listos para su ensamblaje, como paneles y estructuras de montaje rápido, lo que reduce las metodologías contructivas a sistemas lentos, artesanales y generalmente de calidad variable.. Adicionalmente el Pino Radiata Chileno, que es la principal especie maderera en Chile, presenta una menor densidad y características mecánicas más pobres que el Pino Radiata cultivado en otras partes del mundo. En parte esto está relacionado con que aproximadamente la mitad del Pino Radiata Chileno se utiliza en la fabricación de celulosa, para lo cual el árbol puede ser cortado a una edad más temprana..

(33) 14. En cifras gruesas, se calcula que aproximadamente el 17% de las viviendas en Chile se fabrican en madera (Bosques para Chile, 2009). Muy pocas de estas son fabricadas con estándares modernos, un adecuado control de la calidad de los materiales y aplicación de las nuevas tecnologías.. En el desarrollo de nuevos materiales estructurales basados en madera, estamos igualmente atrasados: Las maderas laminadas son uno de los elementos más modernos que actualmente cuentan con un código propio de construcción y bases de investigación sólidas. Introducidas al país en 1964, con ayuda de consultores de la FAO (ver Figura 2-6) (Perez V. , 2007). Son apreciadas soluciones arquitectónicas de techumbres, puentes y estructuras comerciales o industriales. Su uso en el área residencial aún es reducido, en buena parte debido al alto costo de fabricación.. Figura 2-6: Primera estructura laminada en Chile (Fuente: Perez V. , 2007)..

(34) 15. La inclusión del OSB como material de construcción, también ha sido una revolución en los métodos constructivos, tomando una fuerte presencia en áreas tan diversas como la fabricación de elementos estructurales prefabricados y la instalación de cercos perimetrales en la construcción.. En los últimos años, el creciente interés por las ventajas ecológicas, sísmicas y de eficiencia energética asociadas a la construcción en madera alrededor del mundo, ha impulsado también el desarrollo de nuevas investigaciones y desarrollos asociados a la construcción en madera nacional. Actualizaciones a los estándares de construcción como el artículo 4.1.10 de la Ordenanza General de Urbanismo y Construcciones (2007), relativa a la Normativa térmica de viviendas, han comenzado de a poco a modificar el interés por la madera (Bosques para Chile, 2009). Recientemente se han iniciado en manos privadas, las primeras aplicaciones de estas soluciones.. Otros eventos como el terremoto del 27 de Febrero del 2010, pueden presentar interesantes oportunidades para la entrada de nuevas tecnologías y usos de la madera en la construcción dentro de los próximos años. Esto en buena parte, debido a que en el escenario posterior al terremoto, la velocidad de construcción de sistemas prefabricados y madera, resulta una ventaja clave para el proceso de reconstrucción.. 2.4. Soluciones de Corte. Los métodos usados para permitir la colaboración entre el hormigón y la madera son muy variados, pasando desde clavos distribuidos a lo largo de la viga hasta soluciones como el pegado entre la losa y el hormigón por medio de resinas epóxicas. Una forma de clasificar los distintos conectores de corte, se puede apreciar en la Tabla 2-2, que se muestra a continuación, donde se distinguen 4 clases generales (Ceccotti, 1995)..

(35) 16. Tabla 2-2: Clasificación de conectores de corte según nivel de colaboración (Fuente: Ceccotti, 1995).. La clase (a) mostrada en la tabla, comprende a las soluciones basadas en barras o clavos distribuidos a lo largo de la viga. Son las de menor rigidez. La clase (b) comprende soluciones en base a tubos o placas cortas que permiten una conexión más rígida que los clavos. El grupo (c) comprende llaves de corte de hormigón, algunas de ellas conectadas con barras o pernos de acero para prevenir la separación vertical entre ambas capas. El grupo (d), por último, comprende los conectores continuos: placas, mallas y escalerillas de acero distribuidas en toda la longitud de la viga, permitiendo un nivel de colaboración casi perfecto. Este último grupo permite considerar válida la hipótesis de Navier para efectos de diseño (suposición de que secciones planas de un elemento continúan siendo planas una vez que este es sometido a flexión).

(36) 17. 2.4.1. Conexiones en base a clavos o barras. Estas son las de menor rigidez, y las de más fácil implementación: comprenden trabas metálicas como clavos o pernos, distribuidos de manera regular, o acorde a los diagramas de corte esperados en la interacción hormigón-madera. Presentan un importante deslizamiento relativo entre madera y hormigón, muchas veces acompañado de aplastamiento local de la viga por los conectores, junto con deformaciones plásticas de los mismos, por lo que resulta ser una conexión de baja rigidez (Kavaliauskas, Kvedaras, & Kestutis, 2005) (Ver Figura 2-7).. Figura 2-7: Conectores de corte simples (Fuente: Molina, 2008).. 2.4.2. Tubos y placas cortas. Presentan un mejor comportamiento que el grupo anterior, en especial respecto a su comportamiento carga - deslizamiento relativo entre el hormigón y la madera (Lukaswezka & Fragiacomo, 2010) (Lukaswezka, Johnson, & Fraggiacomo, 2008). Esta mejora, sin embargo, no es suficiente como para aplicar la hipótesis de Navier de manera adecuada (Ceccotti, 1995). Dado que sus elementos son de mayor tamaño (ver.

(37) 18. Figura 2-8), las tensiones de contacto con la madera se hallan mejor distribuidas, lo cual limita los efectos de daño por aplastamiento local. Su ductilidad es variable, dependiendo del elemento que se utilice como conector.. Figura 2-8: Conexión de placas cortas (Fuente: Lukaswezka, Johnson, & Fraggiacomo, 2008) y de tubo de acero (Fuente: Deam, Fragiacomo, & Buchanan, 2008).. 2.4.3. Llaves de corte y muescas en las vigas. Otro método utilizado es practicar muescas o llaves de corte espaciadas a lo largo de la viga (estas se han ensayado de formas cilíndricas, rectangulares, trapezoidales, ver Figuras 2-9 y 2-10) para trabar el deslizamiento relativo entre hormigón y madera. Usualmente se combinan con pernos o barras de acero que prevengan deslizamientos mayores (Deam, Fragiacomo, & Buchanan, 2008). En algunos casos, se ha hecho uso de pernos postensados en vez de simplemente embeberlos en hormigón (Gutowski et al, 2008). A pesar de ser efectiva, presenta deslizamientos importantes asociados a cambios dimensionales de la madera (Fragiacomo et al, 2006). Cabe mencionar que este sistema es esencialmente frágil en ausencia de pernos o barras de acero complementarias a las muescas, teniendo sin embargo, una buena ductilidad en caso de usarlos..

(38) 19. Figura 2-9: Ejemplo de Llave de corte de hormigón (Fuente: Elaboración propia). Figura 2-10: Modelo de llave de corte diseñado por Gutowski et al (2008).

(39) 20. 2.4.4. Conectores continuos. De los métodos mencionados, son los de mayor rigidez, permitiendo el uso de la hipótesis de Navier para el cálculo (ver Figura 2-11). Múltiples ensayos realizados, tanto en corto como largo plazo, así como en luces importantes (10 o más metros) han demostrado que efectivamente la adherencia se puede considerar como perfecta para fines de cálculo (Bathon & Clouston, 2, 2004).. Figura 2-11: Vista esquemática de un sistema de corte continuo (Fuente: Lukaswezka & Fragiacomo, 2010). Requieren el uso adicional de resinas para la instalación de los elementos conectores continuos de corte, y en el caso de escalerillas, o mallas metálicas longitudinales, el comportamiento de falla es dúctil (Bathon & Graf, 1, 2000) (Clouston, Bathon, & Schreyer, 2005). Dado que este método distribuye el esfuerzo de corte de manera continua, resulta ser un conector adecuado para trabajar con maderas blandas..

(40) 21. 2.4.5. Conexiones Adheridas. Las conexiones adheridas han sido probadas desde el año 1996, con prometedores resultados (Stojic & Cvetkovic, 2001). Entre las principales ventajas, se cuenta que la adherencia es básicamente perfecta en condiciones ideales, lo cual permite diseñar utilizando la hipótesis de Navier.. Hay, sin embargo, problemas relacionados con fallas bajo solicitaciones menores a las esperadas en ensayos de flexión debido a una adherencia insuficiente de la resina usada. Se ha concluido que la presencia de aceites propios de la madera es una causa importante de las fallas en la adherencia del elemento (Brunner & Gerber, 2002). Su comportamiento de falla es sumamente frágil.. Una variación de las conexiones adheridas, que ha sido poco estudiada, consiste en el embebido parcial de vigas LVL dentro de la losa. Las vigas, provistas de pequeñas muescas, alcanzan niveles de colaboración casi perfectos y un comportamiento de falla dúctil sin necesidad de usar conectores de acero o adhesivos (Yttrup, 2009).. 2.5. Comportamiento de conexiones de corte semi colaborantes. En un elemento colaborante donde la hipótesis de Navier no es válida, la flexión de un elemento de piso produce deslizamientos relativos, los cuales para un sistema simétrico, son máximos en los bordes externos y mínimos (o nulos) en el centro del vano..

(41) 22. La existencia de este deslizamiento relativo impide la aproximación tradicional a la determinación de tensiones y propiedades mecánicas del conjunto colaborante.. Supongamos el caso de una viga cargada en flexión. En el enfoque tradicional de un sistema perfectamente colaborante, las capas de material ven restringido su desplazamiento relativo por medio de conectores de corte que traspasan la carga de corte Q que no puede ser transmitida a través de la interfase entre materiales (despreciada en el análisis tradicional), siendo, naturalmente, mayor la carga Q en las zonas asociadas a mayores deslizamientos relativos. En el diagrama de cuerpo libre, esto se traduce en un par de fuerzas N que actúan en el eje de flexión de cada uno de los materiales, siendo en el caso de una viga hormigón madera, una fuerza N1 de compresión en el hormigón y una fuerza de tracción N2 en la madera como muestra la Figura 2-12. Este par de fuerzas, suponiendo que actúan en los ejes neutros de cada elemento (distancia que podemos definir como r), generan un par de momento que se añade a los momentos flectores de cada elemento (M1 y M2), obteniendo que:. (2-1). Como resultado de este nuevo equilibrio, a medida que aumenta la rigidez de los conectores, el momento local en cada elemento disminuye mientras el par N aumenta, reduciendo la curvatura para un mismo nivel de carga. Al llegar al estado de colaboración completa, donde la rigidez de los conectores de corte es tal que el desplazamiento relativo de los materiales es cero en todo punto de la viga, la hipótesis de Navier puede ser aplicada, por lo que la sección compuesta se puede evaluar como una sección transformada tradicional para efectos de cálculo..

(42) 23. Figura 2-12: Tensiones en flexión con colaboración parcial (Fuente: Elaboración propia). En el caso de elementos parcialmente colaborantes, como es la mayor parte de los compuestos hormigón madera desarrollados a la fecha, la rigidez efectiva del conjunto es menor a la rigidez del sistema de viga con colaboración total. Para vigas simplemente apoyadas con cargas sobre su longitud, como la que se ve en la Figura 2-6, es válido definir la rigidez efectiva. como:. (2-2). Donde = Rigidez de colaboración perfecta = Rigidez de conjunto sin colaboración =Factor de reducción de rigidez = Factor de eficiencia de la conexión, definido por Möhler (1956) como:.

(43) 24. (2-3). Con k=rigidez del conector por unidad de longitud en conectores continuos o dividido por el espaciamiento en conectores discretos l=luz de la viga y. Donde. (2-4). corresponden a los módulos elásticos y las áreas del hormigón. y la madera, respectivamente. Aunque para otras distribuciones de carga se puede usar el mismo acercamiento, la investigación de este proceso ha mostrado que. no es. una característica “propia” de la sección de viga y puede variar para distintos patrones de carga. No obstante, para propósitos de ingeniería, el efecto de las cargas en la variación se considera despreciable (Ceccotti, 1995).. Las deformaciones de elementos parcialmente colaborantes pueden ser rápidamente estimados multiplicando las deflexiones del caso de colaboración completa por. ..

(44) 25. 2.6. El trabajo experimental. El uso de ensayos experimentales es uno de los pasos fundamentales en el desarrollo de nuevas soluciones y materiales. Dado que el comportamiento de la madera esencialmente anisotrópico, en conjunto con una serie de factores difíciles de considerar en modelos analíticos, como son la presencia de aceites o el efecto de la humedad, obligan a que cualquier modelo o procedimiento de diseño considere la obtención de factores de calibración experimentales que permitan caracterizar adecuadamente el comportamiento tanto de los materiales, como del trabajo conjunto en los mismos.. En el caso de vigas semi colaborantes, los ensayos principales son el ensayo de corte de la conexión (Push-Out Test), usado para obtener el comportamiento completo del conector de corte (rigidez, resistencia y ductilidad), y el ensayo de flexión, que se realiza tanto en ciclos de corto plazo, como en ensayos de largo plazo.. 2.6.1. Ensayos de corte de la conexión. Los ensayos de corte a probetas cortas de elementos hormigón madera son los ensayos más importantes en la determinación del comportamiento de un sistema de conectores de corte.. El objetivo del ensayo es obtener el valor C de la rigidez del conector, necesaria para los procesos de diseño, el cálculo del nivel de colaboración efectiva y la estimación de deformaciones. El valor de C también es necesario para los modelos de elementos finitos más simples. Con una preparación adecuada, el ensayo también permite predecir los modos de falla asociados a la conexión. Este ensayo es usualmente concebido como un.

(45) 26. ensayo de corta duración, aunque hay investigadores que han realizado ensayos de largo plazo modificando los métodos de carga (Fragiacomo, Amadio, & Macorini, 2007).. No existen metodologías de ensayos estandarizadas, encontrándonos con varias formas de realizar este ensayo, que entregan resultados no siempre contrastables. Las metodologías actualmente usadas se basan en las disposiciones de EN 26891 y ASTM D 5652 para juntas en madera, o EUROCODE 4, que tiene disposiciones para estructuras de Acero y hormigón.. Recientemente, Carvalho y Carrasco (2010) compararon el efecto producido por distintas condiciones de borde para ejecutar el ensayo. Sus investigaciones muestran que el comportamiento en el rango elástico para cada variación del ensayo es similar, y en general se producen pocas distorsiones. No obstante al momento de entrar en la zona de comportamiento plástico, la diferencia se hace notoria. Es por esta razón que antes de seleccionar una metodología de ensayo es necesario describir y comparar los ensayos de corte habitualmente usados..

(46) 27. 2.6.1.1 Ensayo de carga diagonal. En este ensayo, la carga se aplica en las esquinas opuestas de la probeta, de manera que las tensiones se distribuyen de manera diagonal a través de la misma, como muestra la Figura 2-13.. Figura 2-13: Esquema de ensayo de corte tipo “Carga Diagonal” (Fuente: Clouston, Bathon, & Schreyer, 2005). Este ensayo tiene la desventaja de que al aumentar la excentricidad de aplicación de cargas, se generan cargas de compresión entre el hormigón y la madera que pueden llegar a sobreestimar la resistencia. La ventaja principal que tiene este método es que permite que la madera pueda fallar por cizalle, algo que resulta especialmente relevante en conectores del grupo (c) (ver Tabla 2-2).

(47) 28. 2.6.1.2 Ensayo de corte directo (Push-Out). Es uno de los modos de ensayo más populares dentro de las investigaciones actuales. Es posible encontrar esta disposición en la mayoría de los casos, con leves variaciones respecto de las condiciones de apoyo utilizadas. Mientras que en algunos trabajos como los de Bathon y Graf (2000) o los de Stojic y Cvetkovic (2001) no se especifican condiciones de apoyo particulares, muchos otros especifican modelos como el que se muestra en la Figura 2-14 (Ceccotti, 1995) (Lukaswezka, Johnson, & Fraggiacomo, 2008).. Figura 2-14: Ensayo de corte directo (Fuente: Elaboración propia). Es importante destacar la necesidad de usar placas para distribuir adecuadamente la carga, especialmente en la madera, ya que de otra manera, puede ocurrir un.

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