Conceptos generales de estructuras mixtas.

Introduccin a las estructuras mixtas. Definicin. Utilizacin. Aspectos a considerar en estructuras mixtas Comparacin con otros mtodos Mtodos constructivos Resea histrica.

1. Mtodos de anlisis. Elstico. Plstico. Elasto-plstico.

Caractersticas de los materiales.Hormign.Clasificacin.Retraccin.Fluencia.

Acero de armar. Diagrama de comportamiento. Acero Estructural. Diagrama de comportamiento. Conectores. Chapa Nervada.

Vigas.Introduccin.

Criterios generales.Ancho eficaz.

Pilares. Introduccin. Mtodos de clculo.

Introduccin a las estructuras mixtas.

Definicin.Se tiene la definicin de Elemento mixto como elemento estructural compuesto por hormign y acero estructural o conformado en fro, interconectados por conectadores para limitar el desplazamiento longitudinal entre el hormign y acero; y el despegue de un componente del otro.La idea principal en esta definicin es la interconexin entre materiales; esta interconexin ya se produce en otros tipos de elementos como el hormign armado, donde un material est totalmente embebido dentro del otro.La diferencia radica en el modo de conseguir la unin; lo que nos lleva a definir el conector, que segn el EC4 es unin entre el acero y l hormign de una elemento mixto que tiene la suficiente resistencia y rigidez para permitir que ambos componentes sean calculados como parte es de un nico elemento estructural. [1].Este elemento es el que diferencia a las estructuras de acero y hormign de las estructuras mixtas.Utilizacin.La combinacin de materiales de construccin ms importante y ms frecuentemente empleada tanto en edificacin como en la construccin de puentes es la de acero y hormign [2].El general, esta combinacin no afecta sustancialmente al anlisis de la estructura, puesto que para ello se descompone en partes homogneas y la terminologa habitual de estructuras de acero y hormign armado, con sus correspondientes criterios de diseo y clculo, resulta aceptable. Pero en otras ocasiones, la integracin es ms estrecha afectando a los elementos bsicos que la constituyen y no es posible el anlisis aislado de los materiales; a este tipo se va a referir en este proyecto, las estructuras mixtas de hormign y acero, que se pueden justificar por la optimizacin en el comportamiento de componentes.A pesar de ser muy diferentes en su naturaleza, estos dos materiales se complementan dado que:El hormign es eficiente en compresin y el acero en traccin.Los componentes de acero son relativamente delgados y propensos a pandear, el hormign puede arriostrar dichos componentes evitando su pandeo.El hormign tambin proporciona proteccin contra la corrosin y aislamiento trmico a altas temperaturas provocadas por incendios. El acero proporciona mayor ductilidad a la estructura.

Aspectos a considerar en estructuras mixtas.El diseo integral de una estructura implica no slo la optimizacin de la resistencia para las cargas mximas, su rigidez y su ductilidad, sino tambin la consideracin de aspectos como los de tipo arquitectnico, econmico, constructivo o de utilizacin de las vigas, losas y pilares.

Aspectos arquitectnicos.Disear con estructuras mixtas ofrece muchas variaciones arquitectnicas pudiendo combinar diferentes tipos de elementos mixtos. Adems de reducciones en las dimensiones de las vigas, se consiguen: Mayores vanos Losas ms delgadas Pilares ms esbeltos y ofrecen flexibilidad y ms oportunidades para el diseo.

Aspectos econmicos.Como consecuencia de poder disponer de menores dimensiones en las piezas (una mayor rigidez implica menores deformaciones, mayores vanos y menor peso global), y de poder llevar a cabo un montaje ms rpido, el potencial de ahorro econmico es enorme.La relacin luz canto de la losa (l/h=35) puede resultar beneficiosa:Una reduccin del canto del forjado reduce la altura total del edificio. Disminucin de la superficie de revestimiento del edificio. Vanos mayores para un mismo canto (comparado con otros mtodos constructivos). Espacios con menos columnas presentan mayor flexibilidad de utilizacin. Plantas adicionales con una misma altura total del edificio.

Las estructuras mixtas son fciles de montar y precisan menores tiempos de construccin Ahorro de costes, conclusin ms rpida del edificio. Menores costes de financiacin. Listos antes para su utilizacin aumentando su rentabilidad.

Funcionalidad.Las estructuras de acero convencionales emplean sistemas de proteccin contra el fuego para aislar el acero del calor del fuego. Por su parte las estructuras mixtas alcanzan su resistencia al fuego igual que las estructuras de hormign armado en las que el hormign protege al acero debido a su mayor masa y relativamente inferior conductividad trmica.Lo mismo que las losas mixtas pueden resistir el fuego, las vigas mixtas pueden emplearse con alas desprotegidas. En este caso el espacio entre las alas deber de rellenarse con hormign y armadura de refuerzo adicional. Esto no solo mantiene las temperaturas relativamente bajas en el alma y el ala superior, sino que tambin proporciona resistencia a flexin, compensando la reduccin que se produce en la contribucin a la resistencia por parte del ala inferior caliente.

Servicio y flexibilidad de edificacin.Las estructuras mixtas son adaptables. Pueden modificarse durante la vida del edificio. Esto es especialmente cierto cuando la losa se utiliza con estructuras porticadas. En ese caso siempre es posible crear una nueva caja de escalera entre dos plantas simplemente aadiendo el entramado necesario de vigas.Recientes desarrollos y cambios en las comunicaciones y las tecnologas de la informacin han puesto de manifiesto la importancia de ser capaces de modificar rpidamente la disposicin de los servicios del edificio. Adems en edificios de usos comerciales o propiedades multi-compartidas ha sido posible modificar los servicios sin violar la privacidad de los otros ocupantes del edificio.Con el fin de resolver este problema, los ingenieros tienen que elegir entre diversas soluciones. Generalmente hay tres alternativas para acomodar los servicios: En el techo En un falso suelo Mediante unas canalizaciones recorriendo las paredes El espacio existente entre la parte inferior de la losa y el ala inferior de una viga mixta constituye un lugar ideal para dispone los servicios.

Ensamblaje.Los forjados mixtos son hoy en da la propuesta preferida para un amplio rango de estructuras, proporcionando al diseador y clientes las siguientes ventajas:

Superficie de trabajo:Antes de hormigonar, la superficie metlica proporciona una superficie de trabajo segura, que permite acelerar el proceso constructivo en su conjunto.Encofrado permanente:La superficie metlica que discurre de viga a viga, constituye un encofrado permanente para el hormign, habitualmente no son necesarios los apuntalamientos. Dicha superficie constituye adems una buena barrera para el vapor. La parte inferior de la losa permanece limpia despus del hormigonado y el uso de chapas metlicas con capas de color puede proporcionar un aspecto esttico atractivo para el techo, aunque la pintura puede dar lugar a problemas con los conectores soldados.Armadura de refuerzo:La armadura dispuesta en la seccin transversal del forjado es normalmente suficiente por s misma para soportar los momentos positivos. En ocasiones se dispone de una malla de refuerzo para soportar los movimientos debidos a la retraccin o a las variaciones de temperatura o bien para proporcionar continuidad sobre los soportes intermedios (momentos negativos). La accin mixta se obtiene por medio de la forma perfilada o por medios mecnicos mediante las hendiduras o estampado del perfil de acero.Velocidad y simplicidad de construccin:Las propiedades que presentan los paneles de acero para construir el piso soporte combinando elevada rigidez y bajo peso, facilitan considerablemente el transporte y almacenaje del material en el lugar de montaje. A menudo un camin es capaz de transportar hasta 1500 m2 de paneles. Un equipo de cuatro personas puede colocar hasta 400 m2 de piso por da. Los paneles son elementos prefabricados ligeros fcilmente transportados y colocados por dos o tres personas.Productos de calidad controlada:Los componentes de acero de las estructuras mixtas son elaborados bajo condiciones controladas de fbrica. Esto permite el establecimiento de procedimientos ms estrictos de calidad, lo que conduce a una mayor precisin y calidad en la construccin.

Comparacin con otros mtodosEs necesario emplear piezas mixtas en el diseo, para beneficiarse de las ventajas disponibles. As las estructuras mixtas presentan una mayor rigidez y capacidad de carga para las mismas dimensiones comparadas con el acero solo.

hhh

Viga MixtaViga sin conexin a rasante

Seccin deAceroIPE 400IPE 550HEB 360

Alturaconstructiva (mm)560710520

Capacidadde carga100%100%100%

Peso deAcero100%159%214%

Alturarelativa100%127%93%

Rigidez100%72%46%

Comparacin de viga mixta viga de acero En la tabla anterior se compara una viga mixta con dos tipos de vigas de acero sin conexin de rasante alguna a la losa de hormign. La capacidad de carga es prcticamente la misma pero se aprecian diferencias en la rigidez y la altura constructiva.Generalmente las dimensiones de la seccin transversal de los elementos de estructuras mixtas son mucho menores que en hormign armado o en acero estructural solo.La tabla siguiente, por ejemplo, compara las dimensiones de pilares y vigas mixtas de cierta envergadura con piezas equivalentes en hormign armado bajo las mismas condiciones de carga.

MixtaHormign ArmadoPilarDimensiones(cm)70/7080/120VigaDimensiones(cm)160/40160/120

Comparacin de estructuras mixtashormign armado

Mtodos constructivosTradicionalmente se han desarrollado dos mtodos constructivos ambos con sus ventajas y sus inconvenientes que a continuacin mencionamos:El mtodo convencional de construccin del hormign presenta un estilo muy bien considerado, libertad de formas y contornos, fcil de manipular in situ, resistencia trmica, aislamiento al ruido y resistencia contra el ataque qumico. En contraste a estas ventajas se comporta deficientemente desde el punto de vista de la relacin entre resistencia y carga muerta, tiempo preciso de encofrado y la prolongacin en el tiempo de construccin debido al endurecimiento del hormign. Adems, dado que el hormign por s slo no soporta tracciones, se deben de colocar armaduras que implican nuevas demoras constructivas.La principal ventaja de la construccin empleando paneles de acero es la elevada relacin entre la capacidad de aplastamiento y peso. Dado que la fabricacin se puede hacer por anticipado sin depender de las condiciones atmosfricas, el montaje es muy simple y con pequeas tolerancias. La resistencia al fuego de las construcciones de acero estructural desnudo puede ser un problema. Esto solo puede resolverse empleando ms material o mediante medidas preventivas costosas. Finalmente tambin podemos mencionar como desventaja de este tipo de construccin, la necesidad de disponer de un personal ms cualificado.Entonces comparando estos dos mtodos, vemos que una combinacin de ambos conducira al camino ms econmico.Ms que tomando solamente las ventajas de cada mtodo incluso nuevas ventajas pueden alcanzarse. As por ejemplo, en la construccin mixta se pueden alcanzar mayores capacidades de compresin que en el acero o en el hormign. Pero tambin la rigidez y la redistribucin plstica se pueden mejorar combinando el acero estructural con el hormign. Por un lado esto permite utilizar las reservas plsticas del sistema y por el otro reducir los coeficientes de seguridad debido a la ductilidad inherente de los modos de fallo.Hablando sobre la construccin mixta debera mencionarse que en muchos casos realmente la tecnologa de edificacin mixta es la solucin ms eficiente. Estrictamente pieza mixta significa la interaccin de dos materiales en un elemento estructural (por ejemplo, un pilar de acero tubular relleno de hormign) mientras que la filosofa de la edificacin mixta incluye la combinacin de elementos o piezas estructurales elaborados con diferentes mtodos constructivos (por ejemplo, pilar de hormign en combinacin con una viga mixta y un forjado prefabricado).

Resea histrica.El acero corrugado, antecesor de la chapa de acero actual, fue patentado en 1829. La idea de dar forma al acero en delgadas lminas con ondulaciones que le aportan rigidez la tuvo Henry Robinson Palmer. No obstante, las losas mixtas no aparecieron hasta finales de la dcada de 1930 para sustituir las losas de hormign armado, ya que aportaban una notable reduccin de carga.En los comienzos se asumieron ciertos criterios que simplificaban la interaccin de la losa de hormign y la viga de acero. Las estructuras mixtas no eran proyectadas como tales o, simplemente se disponan las secciones parciales de acero y hormign sin elementos conectadores. Los soportes metlicos se recubran de hormign como proteccin frente al fuego, y hasta tal punto se despreciaba la resistencia del hormign, que los soportes metlicos se diseaban para resistir el peso adicional del hormign.Es en 1.950 cuando por primera vez en San Luis (EE.UU.) se patenta un sistema mixto chapa hormign que para conseguir la adherencia entre los dos elementos incorpora una serie de hilos de acero soldados transversalmente a la chapa. A partir de ese momento, determinados fabricantes ponen en el mercado chapas nervadas, es decir sin ningn tipo de embuticin o indentacin, por lo que generalmente necesitaban de mallas soldadas o elementos similares para lograr la accin mixta chapa-hormign.La aparicin de algunas normas como la britnica BS449 de 1959; los estudios experimentales desarrollados por diversos autores en Inglaterra as como lo diversos artculos aparecidos en la revista especializada dieron pie a la publicacin en Espaa en 1966, de la primera obra dedicada ntegramente a la construccin mixta. En dicha publicacin se propone el clculo de las estructuras mixtas mediante anlisis elstico, y la comprobacin de las secciones mediante el criterio de tensiones admisibles.Los estudios tericos y experimentales desarrollados en aos posteriores condujeron a la aparicin en nuestro pas de una nueva obra, donde se recogen las modernas tcnicas de clculo de agotamiento, las cuales relegan a los mtodos elsticos a la comprobacin en servicio.

Mtodos de anlisis.Elstico.El anlisis global elstico puede realizarse incluso cuando las propiedades de la seccin se basen en su resistencia plstica o no lineal, que es independientemente de la clase seccin.Para estado lmite de servicio se debe utilizar anlisis elstico, con las correcciones apropiadas debidas a efectos no lineales como la fisuracin, fluencia y retraccin del hormign.El anlisis elstico puede ser usado en todos los casos, habiendo definido previamente las propiedades de la seccin transversal homognea, usando el coeficiente equivalencia que relaciona los mdulos de elasticidad de acero y del hormign 5 = Ea/Ec. Por lo tanto, para la losa de hormign se considerar un rea equivalente a la de acero, de valor Ac/5. As mismo hay que tener en cuenta las propiedades de la seccin fisurada y no fisurada, ya que la disminucin de la rigidez una vez que el hormign se ha fisurado es considerable.El EC4 permite dos tipos de anlisis:No fisurado: en el que la rigidez a flexin es constante para todo el vano.Fisurado: en el que, en la longitud de 0,15L a cada lado del apoyo, se toma una rigidez fisurada, calculada despreciando la contribucin del hormign a traccin, pero s teniendo en cuenta la armadura de negativos.Para tener en cuenta en el anlisis elstico ciertos efectos como la fisuracin del hormign, el comportamiento anelstico de los materiales etc., se puede redistribuir el momento de forma que se disminuya el valor del momento aplicado en los apoyos y aumente en el vano, manteniendo el equilibrio de la estructura.Si los porcentajes mximos de redistribucin de acuerdo con el EC4, segn la clase de la seccin transversal se muestran en el siguiente cuadro [1].

Clase (M-)1234

Anlisis elstico no fisurado.40%30%20%10%

Anlisis elstico fisurado.25%15%10%0%

En este anlisis no se tienen cuenta el efecto del deslizamiento en la superficie de contacto entre el hormign y acero.En el hormign, adems, hay que tener en cuenta otros aspectos, que se contemplan en el EC como: Fluencia y retraccin EC4 1.1, 5.4.2.2 Secuencia de construccin EC 1.1, 5.4.2.4 Efectos de la temperatura EC4 1.1, 5.4.2.5Rgido-plstico.Con este anlisis podemos hallar el mecanismo de colapso de una estructura, y con ellos la carga ltima rotura y localizacin de las rtulas plsticas. Sin embargo, no nos proporciona informacin de las deflexiones, as como no tiene en cuenta las deformaciones elsticas.Este anlisis puede realizarse si el prtico es intraslacional o de no ms de dos pisos, las secciones cumplen ciertos requisitos dados en EC3 1.1, 5.1.6.4 y 5.2.3. Las secciones transversales de los elementos en los que se produzcan rtulas plsticas deben ser capaces de desarrollar la rotacin requerida en dicha rtula o ser de Clase 1 (Explicado ms adelante) y no aparezca pandeo lateral en ninguno de los miembros.Elstico-plstico.El EC4 nos da las reglas de aplicacin para anlisis elasto-plstico, que adems slo puede realizarse por medio de mtodos numricos. En l hay que tener en cuenta la fisuracin del hormign, redistribuciones plsticas locales, deslizamiento de la superficie de contacto entre el hormign y el acero, etc.

Caractersticas de los materiales.Hormign.La particularidad que introduce este material en las estructuras mixtas es que, en su deformacin, se distinguen componentes dependientes de las cargas exteriores e independientes a estas. A su vez, ambas pueden ser instantneas o dependientes del tiempo.Clasificacin.La calidad de un hormign queda definida por su resistencia caracterstica a compresin fck medida en probeta cilndrica a 28 das de edad; este valor ser, 20 N/mm2 y no deben emplearse los de clase superior a C50/60, salvo justificacin especial sin que se indiquen reglas para ello.Las clases de hormign especificadas por EC4 se recogen en la tabla siguiente:

Clase de HormignC20/25C25/30C30/37C35/40C40/45C45/55C50/60

fck121620253035404550

fctm1.61.92.22.62.93.23.53.84.1

fctk 0.051.11.31.51.82.02.22.52.72.9

fctk 0.952.02.52.93.33.84.24.64.95.3

Ecm2627.52930.53233.5353637

fckResistencia caracterstica a compresin (probeta cilndrica) en N/mm2.

fctmValor medio de la resistencia a traccin, en N /mm2.Puede obtenerse mediante la frmula; f= 0.30 3(f2 ).ctmck

fctk 0.05Valor caracterstico (cuantil 0.05) de la resistencia a traccin, en N/mm2.Puede obtenerse mediante la frmula; f= 0.21 3(f2 ).ctk 0.05ck

fctk 0.95Valor caracterstico (cuantil 0.95) de la resistencia a traccin, en N/mm2.Puede obtenerse mediante la frmula; f= 0.239 3(f2 ).ctk 0.95ck

EcmMdulo de elasticidad secante medio para cargas instantneas, en N/mm2.Puede obtenerse mediante la frmula; E= 9500 3(f + 8).cmck

Retraccin.En casos normales, para la deformacin por retraccin libre a tiempo infinito desde el fraguado scs pueden adoptarse los valores;En ambiente seco (dentro o fuera de edificios, excluidos elementos rellenos hormign);scs = 350 106.En otros ambientes y en elementos rellenos;scs = 250 106.Fluencia.Para tener en cuenta la fluencia basta con sustituir en el clculo el rea del hormign Ac por otra equivalente de acero de valor Ac/n, siendo n el coeficiente que relaciona los mdulos de elasticidad.Acero de armar.Como armaduras pasivas del hormign se emplean barras corrugadas cuyos dimetros nominales se ajustan una serie, 6, 8, 10, 12, 14, 16, 20, 25, 32 y 40 mm. Las caractersticas mecnicas mnimas garantizadas.

DesignacinClase deAceroLmiteelstico fy en N/mm2 Cargaunitaria de rotura fs en N/mm2 Alargamientoen rotura en % sobre 5 Relacin fs/fyen ensayo

B 400 SSoldable400440141.05

B 500 SSoldable500550121.05

El mdulo de deformacin longitudinal, por simplicidad, se tomar igual al del acero estructural, Es = 210000 N/mm2.Diagrama de comportamiento.Se considera un diagrama simplificado constituido por dos ramas, la primera arranca del origen con pendiente Es y llega hasta el valor fsk fsk/ys segn se trate de valor caracterstico o de clculo, y una segunda rama horizontal, con una pequea pendiente del orden Es/10000 para clculo con ordenador. En ste ltimo caso la deformacin se limita a 0.01.Conectores.Estos dispositivos para solidarizar el acero y hormign en una pieza mixta, son elementos metlicos que suelen ir soldados al perfil por lo que la calidad del material ha de ser adecuada a la tcnica de soldadura utilizada, y sus propiedades mecnicas deben verificar las mismas caractersticas que el acero estructural para poder aplicar el clculo de la resistencia plstica de secciones.En el caso particular de acero para pernos se indica que la resistencia ltima no es el mayor de 500 N/mm2.Este elemento se estudiar con mayor detalle en la parte de losas mixtas.Chapa Nervada.Los criterios para forjados mixtos con Chapa Nervada son aplicables a los construidos con los tipos acero indicados en la siguientes normas;

Aceros de bajo contenido carbonoEN 10025.

Aceros de alta resistenciaprEN 10113.

Aceros laminados el froISO 4997:1978.

Acero galvanizadoEN 10147.

Las superficies exteriores de las chapas estn protegidas frente a las condiciones atmosfricas que deban soportar; no deben utilizarse protecciones distintas del galvanizado, salvo que sean verificadas mediante ensayos.Las caractersticas se especifican; para aceros galvanizados; en la siguiente tabla.

Grados de AceroLmite elstico ReHen N/mm2 Resistencia a traccin Rmen N/mm2 Alargamiento en roturaA80en %

S220 GD22030020

S250 GD25033019

S280 GD28036018

S320 GD32039017

S350 GD35042016

S550 GD550560-

Grados de acero y propiedades mecnicas. (Para espesores