construcción mixta ricardo herrera mardones departamento de ingeniería civil, universidad de chile...
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Construcción Mixta
Ricardo Herrera MardonesDepartamento de Ingeniería Civil, Universidad de Chile
Santiago, ChileMarzo de 2007
Elaboración, guión y locución a cargo del Dpto. de Ingeniería Civil de la Universidad de Chile con coordinación del Ing. Ricardo Herrera
CONTENIDOConstrucción mixta
1. Introducción
2. Usos de construcción mixta
3. Tipos de construcción mixta
4. Estados límite
5. Diseño
CONSTRUCCIONMIXTA
1. Introducción
• Utilización del hormigón y el acero en forma conjunta, ya sea en elementos estructurales o en sistemas estructurales, para resistir las solicitaciones que actúan sobre una estructura.
VENTAJAS1. Introducción
• Optimización del material
• Mayores luces libres
• Mayor resistencia a corrosión
• Mayor resistencia a incendios
• Rapidez de construcción
• Menor costo de construcción
DESVENTAJAS1. Introducción
• Difícil lograr trabajo conjunto acero-hormigón
• Proyecto y construcción más complejos
ACCION COMPUESTADEFINICION
1. Introducción
• Dos materiales que conforman un elemento o dos elementos de diferente material que están conectados y se deforman como una unidad.
Acción no compuesta Acción compuesta
1. Introducción
a. Adherencia
b. Trabazón
ACCION COMPUESTAMECANISMOS
2. Usos de construcción mixta
• Viga de acero con losa colaborante
PUENTES
2. Usos de construcción mixta
• Sistemas estructurales compuestos
EDIFICIOSURBANOS
• Taipei 101, Taiwán
• 2 Union Square Building, Seattle
• Pacific First Center, Seattle
• Gateway Tower, Seattle
• Mellon Bank Center, Philadelphia
• First Bank Place, Minneapolis
2. Usos de construcción mixta
• Losa de hormigón sobre plancha de acero plegada
EDIFICIOSURBANOS
Armadura de refuerzo
Plancha de acero plegada
Hormigón
3. Tipos de construcción mixta
• Elementos estructurales mixtos: compuestos de acero y hormigón trabajando en conjunto
• Sistemas estructurales mixtos: compuestos de elementos de acero, elementos de hormigón y/o elementos mixtos trabajando en conjunto
DEFINICION
ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION
3. Tipos de construcción mixta
De acuerdo a su configuración:
• Viga de acero con losa colaborante
• Losas de hormigón sobre plancha de acero plegada
3. Tipos de construcción mixta
De acuerdo a su configuración:
• Perfiles de acero embebidos en hormigón
• Perfiles tubulares de acero rellenos con hormigón
t b
t b
ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION
3. Tipos de construcción mixta
De acuerdo a su función:
• Vigas mixtas
• Columnas mixtas
• Losas mixtas
• Arriostramientos mixtos
t b
t b
ELEMENTOS MIXTOSCLASIFICACION
3. Tipos de construcción mixta
• Marco rígido mixto
Columnas mixtas
Vigas de acero
t b
SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS
3. Tipos de construcción mixta
• Marco arriostrado con diagonales de pandeo restringido
t b
Arriostramiento de pandeo restringido
SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS
3. Tipos de construcción mixta
• Muros de hormigón con vigas de acople mixtas
SISTEMAS MIXTOSEJEMPLOS
Muros
Viga de acople:
Placa de aceroembebida
4. Estados límite
• De resistencia:– Falla por compresión del hormigón
– Plastificación del acero
– Pérdida de acción compuesta
SECCION
4. Estados límite
• Falla por compresión del hormigón
ESTADOS LIMITESECCION
4. Estados límite
• Plastificación del acero
ESTADOS LIMITESECCION
4. Estados límite
• Pérdida de acción compuesta
ESTADOS LIMITESECCION
4. Estados límite
• De resistencia:– Estados límite de sección– Inestabilidad global (pandeo, pandeo lateral-
torsional)
• De servicio:– Fisuración excesiva– Deformación excesiva– Vibración excesiva
ESTADOS LIMITEELEMENTO
4. Estados límite
• De resistencia:– Inestabilidad global
• Pandeo
ESTADOS LIMITEELEMENTO
t b
P
P
L
P
x x
y
y
4. Estados límite
• De resistencia:– Inestabilidad global
• Volcamiento
ESTADOS LIMITEELEMENTO
Alma esbeltaAlma no esbelta
4. Estados límite
• De servicio:– Fisuración excesiva (vigas)
• Fisuración es inevitable• Efecto sobre durabilidad y apariencia• Importa fisuración debido a cargas sostenidas• Lograr fisuración distribuida a través de:
– Armadura mínima
– Límites en diámetros y espaciamiento de barras
ESTADOS LIMITEELEMENTO
M M
4. Estados límite
• De servicio:– Deformación excesiva
Limitada por:• Condiciones de uso
• Daño a elementos no estructurales
• Aceptabilidad (estancamiento de agua, estética)
• Otros
ESTADOS LIMITEELEMENTO
4. Estados límite
• De servicio:– Deformación excesiva
Difícil determinar debido a:• Rigidez variable (fisuración, armaduras)• Módulo de Young cambia con el tiempo y condiciones de
curado• Método de construcción• Fluencia lenta (creep) y retracción• Desfase de cortante• Deslizamiento en interfaz acero-hormigón
ESTADOS LIMITEELEMENTO
4. Estados límite
• De servicio:– Vibración excesiva
Limitada por:• Incomodidad de usuarios• Daño a elementos no estructurales• Condiciones de operación de equipos• Otros
Parámetro principal:
ESTADOS LIMITEELEMENTO
18
rf
4. Estados límite
• Propiedades– Módulo de elasticidad
• Acero
• Hormigón
ASPECTOSRELEVANTES
MPaEs 000.200
cc fwfE ',sec
4. Estados límite
• Propiedades– Momento de inercia
• Sección no fisurada
• Sección fisurada
ASPECTOSRELEVANTES
c
s
E
En
4. Estados límite
• Propiedades– Ancho efectivo
ASPECTOSRELEVANTES
4. Estados límite
• Deformaciones de largo plazo– Fluencia lenta (creep)
ASPECTOSRELEVANTES
4. Estados límite
• Deformaciones de largo plazo– Retracción
ASPECTOSRELEVANTES
4. Estados límite
• Método de construcción
ASPECTOSRELEVANTES
Apuntalado
Sin apuntalar
Sección de acero
REFERENCIASPRINCIPALES
5. Diseño
• Especificaciones AISC (2005)
– Capítulo I. Diseño de miembros compuestos
• Especificaciones ACI (2005)
5. Diseño
• Resistencia nominal– Método de la distribución
de tensiones plásticas
– Método de la compatibilidad de deformaciones
METODOS
5. Diseño
• Del material:– Hormigón convencional:
– Hormigón liviano:
– Acero
LIMITACIONES
MPafMPa c 7021 '
MPafMPa c 4221 '
MPaFy 525
ORGANIZACION5. Diseño
• Esfuerzo axial
• Flexión
• Flexión y esfuerzo axial
• Corte
• Conectores de corte
5. Diseño
• Perfiles embebidos en hormigón1. As ≥ 0.01 Ag
2. Asr ≥ 0.004 Ag,mínimo 4 barras
3. Ast ≥ 0.23 mm2/mms ≤ min(16dst, 48dsr, 0.5b, 0.5d)
ESFUERZO AXIALREQUISITOS
As
Asr
Ag
Ast
b
d
5. Diseño
• Perfiles tubulares rellenos con hormigón1. As ≥ 0.01 Ag
2. b/t y d/t ≤
3. D/t ≤ 0.15 Es / Fy
ESFUERZO AXIALREQUISITOS
Asb
t d
D
t
ys FE26.2
Asr
5. Diseño
El diseño de miembros compuestos bajo esfuerzo axial consiste en comparar la
resistencia con la acción de diseño
ó
• Tracciónt = 0.90 (LRFD) t = 1.67 (ASD)
ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL
yrsrysn FAFAP
LRFDPP nu ASDPP n
5. Diseño
• Compresión
c = 0.75 (LRFD) c = 2.00 (ASD)
– Pandeo Elástico
– Pandeo Inelástico
ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL
00
0
658,0:44.0 PPPP eP
P
ne
ene PPPP 877.0:44.0 0
5. Diseño
• Compresión– Perfiles embebidos en hormigón
• Capacidad sección
• Capacidad pandeo Euler
donde
ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL
22 KLEIP effe
ccyrsrys fAFAFAP '85.00
ccsrssseff IECIEIEEI 15.0
3.021.01
cs
s
AA
AC
5. Diseño
• Compresión– Perfiles tubulares rellenos con hormigón
• Capacidad sección
• Capacidad pandeo Euler
donde
ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL
22 KLEIP effe
ccyrsrys fACFAFAP '20
ccsrssseff IECIEIEEI 3
9.026.03
cs
s
AA
AC
circular
rrectangulaC
90.0
85.02
5. Diseño
• Vigas con losa colaborante1. hr ≤ 75 mm
2. wr ≥ 50 mm
3. hc ≥ 50 mm
FLEXIONREQUISITOS
Ac
hr
wr
hc
Pliegues paralelos Pliegues perpendiculares
5. Diseño
• Vigas con losa colaborante1. beff ≤ L / 8
2. beff ≤ S / 2
3. beff ≤ Lg
FLEXIONANCHO COLABORANTE
L
S
Lgbeff2beff1
Borde
de
losa
5. Diseño
El diseño de miembros compuestos sometidos a flexión consiste en
comparar la resistencia con la acción de diseño
ó
b = 0.90 (LRFD) b = 1.67 (ASD)
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
LRFDMM nbu ASDMM bn
5. Diseño
• Viga con losa colaborante– Momento positivo
• Alma no esbelta
Mn = Mp
• Alma esbelta
Mn = My
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
ysw FEth 76.3
ysw FEth 76.3
Considera método constructivo
5. Diseño
• Viga con losa colaborante– Momento negativo
a. Mn = Mn perfil doble T
b. Mn = Mp compuestai. Perfil compacto
ii. Lb ≤ Lp
iii. Conectores de corteiv. Refuerzo apropiadamente
desarrollado
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón
a. Mn = My
b. Mn = Mpperfil
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón
c. b = 0.85, b = 1.76a. Compatibilidad de
deformaciones
FLEXIONRESISTENCIA NOMINAL
b. Distribución de tensiones plásticas
5. Diseño
Se debe verificar por separado
• Flexiónb = 0.90 (LRFD) b = 1.67 (ASD)
ó
• Compresiónc = 0.75 (LRFD) c = 2.00 (ASD)
ó
LRFDMM nbu ASDMM bn
FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL
LRFDPP ncu ASDPP cn
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón– Compatibilidad de deformaciones
FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Mn
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón– Distribución de tensiones plásticas
FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Mn
5. Diseño
• Pandeo Elástico
• Pandeo Inelástico
donde P0 sale de compatibilidad de deformaciones o distribución de tensiones plásticas
00
0
658,0:44.0 PPPP eP
P
ne
ene PPPP 877.0:44.0 0
FLEXION Y ESFUERZO AXIALRESISTENCIA NOMINAL - Pn
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón
a. Resistencia del perfil + armadura
b. Resistencia del hormigón (ver ACI)
• Vigas con losa colaboranteResistencia del perfil
CORTERESISTENCIA NOMINAL
s
dFAtdFV c
yrstwyn 6.0
s
dc
wyn tdFV 6.0
5. Diseño
• Perfiles embebidos o rellenos con hormigón cargados axialmente– Carga V aplicada al perfil de acero
– Carga V aplicada al hormigón
CONECTORES DE CORTEDEMANDA
01' PFAVV ys
0' PFAVV ys
5. Diseño
• Vigas con losa colaborante– Momento positivo
• Falla por compresión del hormigón
• Plastificación del perfil
• Falla de conectores de corte
CONECTORES DE CORTEDEMANDA
cc AfV '85.0'
ys FAV '
nQV '
5. Diseño
• Vigas con losa colaborante– Momento negativo
• Falla por fluencia de armadura
• Falla de conectores de corte
CONECTORES DE CORTEDEMANDA
cc AfV '85.0'
nQV '
5. Diseño
• De un conector
donde
CONECTORES DE CORTERESISTENCIA NOMINAL
uscpgccscn FARREfAQ '5.0
MPafwE ccc '043.0 5.1
dstud
4
2stud
sc
dA
5. Diseño
• Rg y Rp
– Perfiles embebidos o rellenos con hormigón: No son aplicables. Usar Rg y Rp = 1.0
– Vigas con losa colaborante
CONECTORES DE CORTERESISTENCIA NOMINAL
5.1r
r
h
w
0.1
0.1
p
g
R
R
75.0
0.1
p
g
R
R
75.0
0.1
p
g
R
R
mme htmid 50 2fbl
5. Diseño
• No hay recomendaciones
• Comentario, sección I3.1:
– Limitar comportamiento del elemento al rango elástico para condiciones de servicio.
– Expresiones para el cálculo del momento de inercia.
DEFORMACIONES