CAPITULO 3

ASPECTOS DEL DISEO

El diseo de entrepiso con el sistema METALDECK involucra dos etapas principales: La primera cuando el concreto fresco an no ha endurecido, en la cual, la lmina colaborante funciona principalmente como formaleta y la segunda cuando el concreto endurece y la losa trabaja como seccin compuesta. Adems de estas consideraciones principales es necesario garantizar el funcionamiento de las losas como diafragma de piso, cuando esto sea una consideracin de diseo. A continuacin se presenta la metodologa recomendada de diseo para cada una de las consideraciones mencionadas.

3.1 METALDECK COMO FORMALETA

3.1.1 PROPIEDADES Las propiedades de METALDECK para el diseo como formaleta tales como rea de la seccin transversal, momento de inercia, y otras constantes para el clculo en flexin deben determinarse de acuerdo con lo establecido por las especificaciones del AISI, Specification for the Design of Cold Formed Steel Structural Members, (referencia 4). En el Apndice 1 Propiedades del METALDECK, se presenta un resumen de las principales propiedades del METALDECK.

3.1.2 CARGAS Para el diseo del METALDECK actuando como formaleta o sea en estado no compuesto, la carga de diseo debe incluir: El peso propio del tablero El peso propio del concreto fresco Las cargas de construccin temporales que se calculan como la ms severa entre una carga uniformemente distribuida de 100 kg/m2 sobre la superficie de la lmina y una carga concentrada de 300 kg que actan sobre una seccin de la formaleta de 1 m de ancho. Estas cargas corresponden a cargas de construccin como son sobrepesos por el manejo del concreto y al peso de la maquinaria y las personas que trabajan en la construccin de la losa.

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3.1.3 DEFLEXIONES ADMISIBLES Para el clculo de las deflexiones verticales del METALDECK actuando como formaleta deber considerarse el peso propio del concreto de acuerdo con el espesor de diseo y el peso propio de la lmina. Las cargas de construccin no deben tenerse en cuenta por ser de carcter temporal. Debido a que el METALDECK se disea para permanecer en el rango elstico, sta se recuperar una vez se retire dichas carga temporal. Las deflexiones verticales que se produzcan en condiciones de formaleta y en estado no compuesto, calculadas con las cargas establecidas y medidas con respecto a la deflexin vertical del apoyo deben limitarse a:

cal < adm = _donde: Le = Longitud de la luz libre, (m) cal = Deflexin calculada, (cm) adm = Deflexin mxima admisible, (cm)

menor

100Le 180 1.9

3.1.4 ESFUERZO ADMISIBLES Los esfuerzos de tensin y de compresin por flexin en el METALDECK no deben exceder:

s

adm = 0.6 fy = 0.6x2803 kg/cm2=1681.8 kg/cm2 2530 kg/cm2

donde:s

= Esfuerzo actuante en el acero, (kg/cm2).

= Esfuerzo admisible en el acero (kg/cm2) y = Esfuerzo de fluencia en el acero, (kg/cm2).adm

El clculo de los mdulos elsticos para las fibras superior e inferior de la lmina de METALDECK y para condiciones de flexin positiva o negativa debe realizarse de acuerdo con la metodologa propuesta por el AISI, Specification for the Design of Cold Formed Steel Structural Members, referencia 4. En el Apndice 1 se presentan los mdulos elsticos para las lminas de METALDECK. Cuando se verifiquen los esfuerzos para la carga concentrada de construccin de 300 Kg por metro de ancho de METALDECK, se permite un incremento del 33% en el esfuerzo admisible del acero. Nota: Para el clculo de esfuerzos actuantes y de deflexiones pueden utilizarse ayudas existen-

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tes. Ver Apndice 2 para Coeficientes de Clculo de Cortantes, Momentos y Deflexiones.

3.1.5 SOPORTES ADICIONALES (Apuntalamientos temporales) Si los esfuerzos actuantes o las deflexiones calculadas sobrepasan los esfuerzos admisibles y/o las deflexiones admisibles respectivamente, se pueden utilizar apuntalamientos temporales adicionales durante la construccin, los cuales se colocan en general en los centros o tercios de las luces. Esto permite en casos especficos mantener las secciones ms livianas de METALDECK, en lugar de considerar espesores mayores de lmina. En caso de requerirse apoyos temporales, debe indicarse claramente en los planos de construccin el tipo de apoyo requerido, su ubicacin y el tiempo necesario durante el cual debe garantizarse el apuntamiento. (Vase la Figura 5)

FIGURA 5 ESQUEMA TIPICO DE APOYOS TEMPORALES

3.1.6 LONGITUDES DE APOYO Las longitudes de apoyo del tablero sobre las vigas principales deben determinarse utilizando una carga de concreto hmedo ms el peso propio del METALDECK ms una carga de construccin uniformemente distribuida de 100 kg/m2. Como regla general se recomienda utilizar una longitud de apoyo de por lo menos 4 cm cuando el METALDECK se instale sobre la viga, la cual en general impedir que el tablero se resbale de su apoyo. Si esta condicin no puede cumplirse por razones constructivas o cuando se esperen reacciones considerables en los apoyos, debern verificarse los esfuerzos en el alma de la lmina de METALDECK (ver AISI, Specificatin for the Desing Of Cold Formed Steel Structural Members,

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referencia 4).Cuando se utiliza el sistema de fundicin monoltico o semi-monoltico (fundida de viga y losa simultaneamente), se recomienda utilizar una longitud de apoyo del METALDECK sobre la viga de 2.5 cm. En casos crticos se recomienda de todas maneras sujetar convenientemente la lmina a la viga o elemento de apoyo para evitar el resbalamiento. (Vase la figura 6 y consultar el Captulo IV para el sistema y caractersticas de la fijacin).

FIGURA 6 ESQUEMA TIPICO DE APOYO DE LAS LAMINAS DE METALDECK SOBRE LA VIGA

FIGURA 6 ESQUEMA TIPICO DE APOYO DE FUNDICION MONOLITICA

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3.2. METALDECK Y CONCRETO COMO SECCION COMPUESTA 3.2.1 GENERAL La losa en seccin compuesta debe disearse como una losa de concreto reforzado en la cual la lmina de METALDECK acta como el acero de refuerzo positivo. Las losas deben disearse como losas de luces simples o continuas sobre apoyos, sometidas a cargas uniformemente distribuidas. Adicionalmente las losas deben disearse especficamente para cargas concentradas importantes, para cargas dinmicas derivadas del uso de la estructura y para cargas debidas al funcionamiento de la losa como diafragma estructural en una edificacin determinada. 3.2.2 HIPOTESIS DE ANALISIS El diseador debe seleccionar la hiptesis para el anlisis de la losa de entrepiso de acuerdo con lo siguiente: Losa continua sobre apoyos mltiples: Si se desea disear la losa de manera que se tenga continuidad en los apoyos intermedios, debe disearse el refuerzo negativo que ir en la parte superior de la losa, utilizando las tcnicas de diseo convencionales del concreto reforzado. En este caso para la seccin en el apoyo se desprecia el efecto de la lmina de METALDECK actuando a compresin. Tambin, la malla de refuerzo seleccionada para efectos de retraccin y temperatura (vase el Captulo II) no proporciona en general la cuanta de acero necesaria para absorber dichos momentos negativos de manera que debe disponerse de refuerzo adicional en la zona de los apoyos. Losa con luces simplemente apoyadas: Si por otro lado se desea basar el anlisis en la hiptesis de luces simplemente apoyadas, se supone que la losa se fisura en la parte superior en cada uno de los apoyos. Para efectos estticos se recomienda, de todas maneras, colocar cuantas nominales de refuerzo que garanticen la formacin de varias fisuras y no una sola grieta de mala apariencia.

3.2.3 HIPOTESIS DE CARGA Las hiptesis de carga que deben utilizarse para el diseo sern las que establece la Norma Colombiana de Diseo y Construccin Sismo Resistente - NSR98, Ley 400 de 1997.

Combinaciones bsicas Mtodo de esfuerzos de trabajo

Combinaciones bsicas Mtodo del estado Lmite de Resistencia

D D+L _ D + E / 1.4 _ _ D + L + W; D + L + E / 1.4

1.4D + 1.7 L _ 1.05D + 1.28L + 1.28W _ 0.9D + 1.3W _ 1.05D + 1.28L + 1.0E _ 0.9D + 1.0E

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Donde: D= Carga muerta consistente en: (a) Peso propio del elemento. (b) Peso de todos los materiales de construccin incorporados a la edificacin y que son permanentes soportados por el elemento. (c) Peso equipos permanentes. L= Cargas vivas debidas al uso y ocupacin de la edificacin, incluyendo cargas debidas a objetos mviles. E= Fuerza ssmica de diseo. W= Carga de viento de diseo.

3.2.4 CARGAS DE DISEO El proceso constructivo utilizado en el vaciado del concreto resulta vital para establecer las cargas de diseo que se utilizarn en el clculo de la losa. Se tienen los siguientes casos particulares: Condicin de formaleta sin apuntamiento: Si se coloca el concreto fresco sobre la lmina de METALDECK sin soporte intermedio, todo el peso propio del tablero y del concreto lo soporta la lmina de acero misma. Solo las cargas que se apliquen con posterioridad al fraguado del concreto (denominadas cargas sobreimpuestas), como son las cargas muertas adicionales y las cargas vivas, actuarn sobre la seccin compuesta, considerando que ya sobre la lmina de METALDECK hay unos esfuerzos previos actuando. Condicin de formaleta con apuntamiento uniforme: Si la lmina est temporalmente soportada en forma uniforme hasta que el concreto frage para luego retirar los soportes, todas las cargas, o sea el peso propio de la lmina de METALDECK y del concreto, las cargas muertas adicionales y las cargas vivas, actuarn todas sobre la seccin compuesta. En este caso todo el peso propio del tablero y del concreto deben aplicarse como carga uniformemente distribuidas a la seccin compuesta, adicionalmente a las cargas muertas adicionales y cargas vivas que se aplican enseguida. Condicin de formaleta con apuntamiento intermedio: Si la lmina tiene un solo apoyo intermedio durante la fundida del concreto, sta deber soportar los momentos flectores (sin considerar el comportamiento como seccin compuesta), producidos por su peso propio y el peso del concreto fresco considerando la nueva condicin de apoyo, y la seccin compuesta deber soportar una carga concentrada en el centro de la luz equivalente a 5/8 WppLe donde Wpp incluye el peso propio de la losa (peso de la lamina y del concreto) y Le, la luz total sin considerar apuntamiento, ms el efecto de las cargas sobreimpuestas mencionadas anteriormente. Para apoyos adicionales se hace un anlisis equivalente al anterior.

Las anteriores consideraciones deben utilizarse en la estimacin de la carga sobreimpuesta admisibles y en el clculo de esfuerzos de adherencia entre el tablero de acero y el concreto tal como se presenta ms adelante. Algunas normas establecen que para el diseo de conectores de cortante para conformar la seccin compuesta deben utilizarse las cargas mayoradas totales sin las reducciones planteadas en los parmetros anteriores, lo cual representa una base de diseo ms conservadora.

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3.2.5 DEFLEXIONES POR CARGAS VIVAS Las propiedades para efectos de flexin de la seccin compuesta necesarias para determinar las deflexiones verticales de losas compuestas, deben calcularse de acuerdo con la teora elstica convencional aplicada al concreto reforzado, mediante la transformacin de las reas de acero a reas equivalentes de concreto. Las hiptesis bsicas de anlisis son las siguiente: 1. Las secciones planas antes de la flexin, permanecen planas despus de aplicada la flexin, lo que significa que las deformaciones unitarias longitudinales en el concreto y en el acero en cualquier seccin transversal al tablero son proporcionales a la distancia de las fibras desde el eje neutro a la seccin compuesta. 2. Para las cargas de servicio, los esfuerzos son proporcionales a las deformaciones tanto para el concreto como para el acero. 3. Puede utilizarse la totalidad de la seccin de acero excepto cuando sta se ve reducida por huecos. 4. El momento de inercia utilizado en el estimativo de las deflexiones por carga viva se calcula utilizando el promedio entre el momento de inercia fisurado de la seccin transformada y el momento de inercia no fisurado de la seccin transformada. Para la seccin transformada se utiliza normalmente un mdulo del acero de 2077.500 kg/cm2 y una relacin modular de N=11. Las deflexiones verticales del sistema compuesto calculadas con las cargas y propiedades establecidas y medidas con respeto a la deflexin vertical del apoyo deben limitarse a lo dado en la tabla siguiente:

TABLA 3 - DEFLEXIONES MAXIMAS CALCULADAS PERMISIBLESTIPO DE ELEMENTO Cubiertas planas que no soportan o no estan unidas a elementos no estructurales que puedan ser daados por deflexiones grandes. Losas que no soportan o no estan unidas a elementos no estructurales que puedan ser daados por deflexiones grandes. Cubiertas o losas que soportan o estan unidas a elementos no estructurales susceptibles de dao debido a deflexiones grandes. Cubiertas o losas que soportan o estan unidas a elementos no estructurales que no puedan ser daados por deflexiones grandes. DEFLEXION QUE SE CONSIDERA DEFLEXION LIMITE L 180

Deflexin instantnea debido a carga viva.

Deflexin instantnea debido a carga viva.

L 360

La parte de la deflexin total que se presenta despus de la unin a elementos no estructurales, o sea la suma de las deflexiones a largo plazo debida a cargas permanentes, ms la instantnea debida a cualquier carga viva adicional.

L 480

L 240

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En el calculo de las deflexiones deben considerarse las cargas inmediatas y las de largo plazo; las deflexiones adicionales causadas por el flujo plstico del concreto (creep) deben considerarse multiplicando las deflexiones inmediatas causadas por las carga permanente considerada,por el coeficiente obtenido as:

=

1+50

donde: es el valor de la cuanta del refuerzo a compresin en el centro de la luz para luces simplemente apoyadas o continuas, y el apoyo para voladizos. Se recomiendan los siguientes valores del coeficiente de efectos a largo plazo, , as:5 aos o ms 12 meses 6 meses 3 meses

De la misma manera que en los clculos de esfuerzos, para el clculo de deflexiones se supone normalmente que no existe continuidad en la losa de manera que se utilizan las frmulas convencionales para luces simples. De nuevo esta suposicin puede evitarse utilizando las frmulas correspondientes a dos y ms luces continuas.

3.2.6 DISEO A FLEXION METODO DE LOS ESFUERZOS ADMISIBLES El mtodo de los esfuerzos admisibles para diseo a flexin est basado en la fluencia del ala inferior de la lmina de METALDECK (fibra ms alejada del eje neutro). Este mtodo resulta adecuado cuando no hay suficientes pernos de corte sobre la viga perpendicular a la direccin de la lmina de METALDECK o cuando solo existen este tipo de pernos en las vigas secundarias paralelas a la direccin de la lmina o simplemente cuando no se considera en el diseo la accin compuesta de las vigas de soporte y el sistema METALDECK y por lo tanto no existen pernos de corte sobre las vigas. La eventual presencia de los pernos de corte en nmero suficiente sobre las vigas perpendiculares a la direccin del tablero garantizaran el no deslizamiento relativo entre el concreto y la lmina y permitiran llegar a la seccin a su resistencia ltima (ver siguiente numeral). En este procedimiento se combinan los esfuerzos en la lmina causados por la fundida del concreto con los esfuerzos causados por la carga de servicio actuando sobre la seccin compuesta. Los esfuerzos resultantes se comparan con valores admisibles de acuerdo con las siguientes ecuaciones:

s

=

[

Mpp +Si

+ Sic + +Sic

Mpp

Mcs

]* ]

10

5

< 1.33 (0.6 y ) = 2242 kg/ cm2 _

s

=

[

Mpp

+ Mpp + McsSic

5 _ * 10