Grade-two resistance screw shear connector behaviour for a 28 MPa concrete section

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1 REVISTA INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN VOL. 27 No.2, AGOSTODE 27 (18-25) Comportamiento de los onetores de ortante tipo tornillo de resistenia grado dos para una seión ompuesta on onreto de 28 MPa Grade-two resistane srew shear onnetor behaviour for a 28 MPa onrete setion Sherley Larrañaga Rubio 1 y Maritzabel Molina Herrera 2 RESUMEN En Colombia el uso de los onetores de ortante tipo tornillo ha sido ada vez mayor; sin embargo, estos se han venido diseñando de auerdo on los parámetros estableidos en las Normas Colombianas de Diseño Sismorresistente (NSR-98), requisitos estableidos para onetores tipo espigo. Este trabajo onstituye un punto de partida del análisis del omportamiento de los onetores tipo tornillo en seiones ompuestas. En la parte experimental se elaboraron 54 probetas ompuestas por un perfil metálio y dos plaas de onreto donde se enuentran embebidos los onetores. Se utilizaron tornillos on diámetros de 1/2 (12,7 mm), 5/8 (15,9 mm) y 3/4 (19,1 mm), oloados a diferentes separaiones, estas probetas fueron ensayadas a orte direto, y on los datos obtenidos se proponen las euaiones para la determinaión de la resistenia de este tipo de onetores en seiones ompuestas aero onreto. Palabras lave: onetores de ortante, seiones ompuestas, tornillo. ABSTRACT Srew shear onnetors are being more ommonly used in ompound onrete setions in Colombia; however, they have been designed in line with Colombian Seismi-Resistant Standards (NSR-98) rather than those established for stud shear onnetors. This work represents a starting point for analysing srew shear onnetor behaviour. 54 speimens were made for the experiment, onsisting of a metalli profile and two onretes slabs where the onnetors were embedded. 1/2 (12.7mm), 5/8 (15.9mm) and 3/4 (19.1mm) diameter srews were used and plaed at different distanes. The push-out test was used with these speimens and results were provided by using some equations for determining this type of onnetor s strength in steel onrete setions. Keywords: stud shear onnetor, ompound setion, srew. Reibido: septiembre 4 de 26 Aeptado: junio 7 de 27 Introduión Las seiones ompuestas aero onreto se han empleado desde 192 aproximadamente. Haia 19 omenzaron a ser utilizadas en puentes, luego de las investigaiones realizadas por Viest (Viest, 1956). Para la déada de 196 se implementaron en el diseño de edifiios de auerdo on las normas introduidas en las espeifiaiones del AISC en 1961, las uales están basadas en los estudios de Slutter y Drisoll (Slutter y Drisoll, 1961). En 1971, a través de una serie de investigaiones realizadas en vigas ompuestas y modelos a pequeña esala, usando onretos de diferentes resistenias y varios tamaños de onetores tipo espigo, se analizó el omportamiento entre estos y la resistenia del onreto, on lo ual se estableió la euaión para determinar la resistenia de los onetores de ortante tipo espigo (Ollgaard, Slutter y Fisher, 1971, pp ), euaión que es utilizada para el diseño de dihos onetores en seiones ompuestas. 1 Ingeniera ivil, Fundaión Universitaria Agraria de Colombia, Uniagraria. M. S., en Estruturas, Universidad Naional de Colombia. Profesora y Jefe de área de estruturas, Fundaión Universitaria Agraria de Colombia - Uniagraria. slarranagar@unal.edu.o 2 Ingeniera ivil, Universidad Naional de Colombia. M. S., en Estruturas, Universidad Naional de Colombia. Estudiante de M.S., Métodos Numérios para el Cálulo y Diseño en Ingeniería, Universidad Politénia de Cataluña, Barelona, España. Estudiante del dotorado, e Análisis Estrutural, Universidad Politénia de Cataluña, Barelona, España. Profesor asoiado, Universidad Naional de Colombia, Bogotá. mmolinah@unal.edu.o, mmolinahun@gmail.om 18

2 LARRAÑAGA, MOLINA En nuestro país el uso de onetores tipo espigo es bajo, en la mayoría de entrepisos on seiones ompuestas se han venido empleando omo onetores de ortante tornillos, ángulos y otros elementos. En el aso de los tornillos, frente a la falta de espeifiaiones, estos son diseñados de auerdo on la euaión estableida en el artíulo F de las Normas Sismorresistentes (NSR-98), definida úniamente para los onetores tipo espigo (stud) y no para los tornillos; adiionalmente la norma espeifia en el artíulo F que uando se utilien omo onetores de ortante elementos diferentes a los tratados en el numeral F.2.9.5, deben realizarse estudios experimentales que sustenten la metodología de diseño realizada. Tipos de modelos Para determinar la influenia de los tornillos en la resistenia y tipo de falla de las probetas se ensayaron dieioho modelos on una resistenia de los onetores de ortante tipo tornillo grado (2), en los uales se variaron el diámetro, la separaión y la antidad de tornillos, omo se india en la Tabla 1. Por ada tipo de modelo se hiieron tres probetas, fabriándose en total inuenta y uatro probetas para dieioho modelos. Tabla 1. Caraterístias de los modelos Por tanto, en esta investigaión se estudia la influenia de la separaión entre los onetores y las variaiones de diámetro de los tornillos grado dos on onreto de 28MPa en la resistenia de seiones ompuestas y la lase de falla, para posteriormente determinar una formulaión de diseño de onetores de ortante tipo tornillo, on el fin de garantizar sistemas de entrepisos más seguros. Desripión de los modelos Los modelos onsisten en un perfil MM de lámina delgada de,3 m de altura y,4 m de longitud, más dos losas maizas de onreto en ada una de sus aletas, las uales se unen al perfil por medio de los onetores de ortante tipo tornillo grado 2. Estos fueron soldados a las uniones de los perfiles M, utilizando una soldadura E7-18. Las dimensiones de las plaas de onreto son de, m de longitud,,3 m de anho y,1 m de espesor, omo se muestra en la Figura 1. Materiales Se efetuaron pruebas a ada material de las probetas on el fin de estableer sus propiedades meánias. Conreto Los ensayos de ompresión estándar (a los veintioho días) dieron omo resultados una resistenia promedio a la ompresión del onreto on el refrentado on azufre (f ), de 3,43 MPa. Para definir las propiedades del onreto al momento de efetuar los ensayos fue neesario extraer seis núleos de,75 m de diámetro y,15 m de altura, para la determinaión de la resistenia a la ompresión, el módulo de elastiidad y la resistenia a la traión del onreto. En la Tabla 2 se despliegan los resultados obtenidos de los ensayos, donde se aluló un esfuerzo a la ompresión promedio (f ) de 42,2 MPa, siendo mayor al enontrado a los veintioho días; el módulo de elastiidad fue de 21, MPa y esfuerzo a la traión de 8,2 MPa. Figura 1. Modelo propuesto: a) vista de perfil; b) orte A-A; ) modelo 3D 19

3 COMPORTAMIENTO DE LOS CONECTORES DE CORTANTE TIPO TORNILLO DE RESISTENCIA GRADO DOS PARA UNA SECCIÓN COMPUESTA CON CONCRETO DE 28 MPA Tabla 2. Resultados de los ensayos del onreto a los sesenta días on el refrentado en azufre y los proedimientos de la NSR-98, onretamente de los onetores de ortante F En la Tabla 4 se señalan las argas nominales. Tabla 3. Ensayos de los onetores tipo tornillo Perfil de aero tipo M Se utilizaron perfiles abiertos tipo M formados en frío (Figura 2). Para estableer las propiedades básias del aero se determinó la urva esfuerzo deformaión por medio del ensayo a tensión; para ello se ensayaron tres probetas, obteniendo los siguientes resultados: E = 21 kg/mm 2 = 21 MPa Fy= 32,5 kg/mm 2 = 325 MPa Fu= 58 kg/mm 2 = 58 MPa Figura 3. Ensayos de onetores tipo tornillo; a) falla a orte de los tornillos; b) falla a tensión de los tornillos Tabla 4. Cargas teórias y experimentales para ada modelo Figura 2. Geometría de los perfiles M y MM utilizados Conetores de ortante tipo tornillo Como onetores de ortante se emplearon tornillos grado 2 de abeza hexagonal de diámetros de 1/2 (12,7 mm), 5/8 (15,9 mm) y 3/4 (19,1 mm), on una longitud de 2 (,8 mm). Dos onetores de ada diámetro de tornillo fueron ensayados a orte y a tensión simple; las pruebas se realizaron en la Esuela Colombiana de Ingeniería (Figura 3). Los resultados de estos ensayos se presentan en la Tabla 3. Cargas nominales Con el fin de estimar en forma aproximada la arga de los ensayos se alularon las argas nominales (o resistentes) teórias para los uales se produen la falla del material, ya sea en el onreto, los onetores o la soldadura de los tornillos. Para el álulo de estas argas nominales de los modelos se usaron las propiedades de ada uno de los materiales 2

4 LARRAÑAGA, MOLINA Construión de los modelos Los modelos se elaboraron en una planta de estruturas metálias para asegurar las mejores ondiiones en el proeso de orte y soldadura de los perfiles, así omo la soldadura de los tornillos. En este proedimiento fueron armados los perfiles ajón tipo MM, los uales se unieron por medio de soldadura E7-18 de ordón ontinuo a lo largo de toda la longitud del perfil, para garantizar que la falla no suediera por ausa de la soldadura; los onetores fueron oloados on soldadura de ontorno (Figura 4). al onreto. Para este montaje del ensayo se empleó un maro de arga on un gato de kn de apaidad hidráulia (Figura 5). Las probetas fueron oloadas de forma vertial, dejando,1 m libres para que en el momento de apliarse la arga en el perfil, éste se pudiera desplazar hasta que la seión falle. La arga se aplió de manera vertial y distribuida por medio de una platina de 2,54 m de espesor, on inrementos de esfuerzo onstante de 1 MPa, y a su vez se midió el desplazamiento vertial del perfil. Instrumentaión La instrumentaión de los ensayos se realizó on dos deformímetros meánios de preisión de,1 mm, que se oloaron a ada uno de los lados del perfil por medio de bases magnétias para medir el desplazamiento del mismo. Las mediiones fueron tomadas en ada uno de los rangos de la arga apliada (Figura 5). Figura 4. Construión de los modelos; a) ensamble de perfil MM on soldadura de ordón ontinuo ; b) oloaión del onetor on soldadura de ontorno; ) y d) formaleta para la fabriaión de modelos; e) modelo terminado. Para la fundida del onreto se onstruyó una formaleta espeial en madera y perfiles de aero debido a que se requería que las dimensiones de las plaas fueran lo más exatas posibles, on el fin de disminuir la variabilidad geométria entre las muestras. Proedimiento de ensayo La forma experimental más empleada en la evaluaión del omportamiento y de los esfuerzos de los onetores de ortante es el ensayo o prueba Push-out. Este método de ensayo se ha venido usando desde hae varios años para el estudio del omportamiento de los onetores en vigas de seiones ompuestas y onsiste en apliar una arga vertial en la parte superior de la seión de aero, la ual es transmitida a las plaas de onreto a través de los onetores, produiendo un desplazamiento del perfil, que a su vez genera una fuerza de friión entre perfil y plaas. Debido a que en la interfase aero onreto la adherenia no es apreiable, esta fuerza es tomada por los onetores, que uales trabajan a orte para trasmitirla del perfil Figura 5. Montaje del ensayo Push-out; a) esquema gráfio del montaje propuesto; b) fotografía del montaje realizado para las pruebas; ) instrumentaión en probetas. Resultados de las pruebas Curvas promedio de los modelos Con el propósito de estableer el omportamiento de los modelos ensayados se tomaron los resultados de los deformímetros y se enontraron urvas arga deformaión unitaria por probeta, obteniendo las urvas arga deformaión unitaria para ada modelo. Como ejemplo se india en la Figura 6 la gráfia para el modelo M

5 COMPORTAMIENTO DE LOS CONECTORES DE CORTANTE TIPO TORNILLO DE RESISTENCIA GRADO DOS PARA UNA SECCIÓN COMPUESTA CON CONCRETO DE 28 MPA En la Tabla 5 se desriben los diferentes tipos de falla Tabla 5. Tipos de falla y sus araterístias. Figura 6. Gráfia promedio arga-deformaión Modos de falla Las probetas se ensayaron hasta la arga última, en ellas se evideniaron varios tipos de falla debidas a la influenia de la antidad, el diámetro y la separaión de los onetores. En el momento de ser apliada una pequeña parte de la arga se generaba la separaión del aero y el onreto, quedando unida la seión solamente por los onetores de ortante. A medida que se seguía apliando la arga se presentaba una etapa de deslizamiento del perfil, y por último, se produía la falla. Básiamente se observaron tres tipos de falla: Por soldadura: se generó en los modelos que onstan de un tornillo de diámetro de 1/2, modelo M-1-1. Por rotura del onreto: dentro de ella falla se observaron tres formas de rotura del onreto: en dos, tres y uatro partes. Estos asos de falla se evidenian en la mayoría de modelos y se presenta ombinado tanto on las de pandeo del perfil omo de rotura de la soldadura. Comportamiento de los onetores La influenia de los onetores en el omportamiento de la seión ompuesta se hizo evidente en el momento de la rotura del onreto. En las probetas on diámetro de 1/2 (12,7 mm) y un solo tornillo, la falla se produjo por la soldadura; además, se observó una ierta deformaión del tornillo (Figura 8). Por daños en el perfil: se reflejaron dos formas de daño, una se produjo en la parte superior del perfil (aplastamiento) y la otra fue una abertura del perfil en la parte inferior. Este tipo de falla suedió en muy poas de las probetas y on presenia de la falla por rotura del onreto, espeialmente uando se ensayaron las de diámetro de 5/8 on dos onetores y para los diámetros de 3/4 on tres tornillos. Figura 8. Comportamiento de un onetor; a) diámetro 3/4 (falla por onreto); b) diámetro 1/2 (falla por soldadura) Figura 7. Tipos de falla; a) por soldadura; b) por ruptura del onreto; ) por pandeo del perfil En las probetas que tienen dos y tres onetores se enontró que el onetor inferior es el que más se deforma, mientras que el superior no presenta ningún tipo de deformaión. En algunos asos se presentó falla por soldadura en el onetor inferior, mientras que en un modelo espeífio se fraturó el onetor superior (de probetas on dos onetores), (Figura 9). 22

6 LARRAÑAGA, MOLINA La diferenia entre los datos experimentales y los resultados obtenidos por medio de la euaión (1) se apreian en la Figura 1, donde se observa que esta euaión obedee a un omportamiento lineal, mostrado por medio de las euaiones de regresión presentadas en ada gráfia. Figura 9. Comportamiento de varios onetores Análisis de resultados Analizando los resultados obtenidos se estableen unas relaiones matemátias entre las variables para así determinar unas euaiones generales que establezan en forma aproximada el omportamiento de los onetores tipo tornillo grado 2 on onreto de 28MPa, dando un estimativo tanto de arga omo de desplazamiento. Relaión arga desplazamiento De auerdo on la Figura 1, se puede representar el omportamiento a través de una tendenia lineal; y on base en ella se plantea una Euaión general (1), que lo desribe para diferentes separaiones de auerdo on la arga y el desplazamiento. Es neesario realar que esta euaión fue obtenida según los modelos analizados en esta investigaión (1) a. b. y = 3,468x - 11,778 y = 3,2x Deformaion Unitaria (*1 Experimental Lineal (Experimental) y = 3,668x + 8,4954 Figura 1. Curvas Carga Vs. Deformaión. a)variaión entre la tendenia experimental y la obtenida por euaión, para separaión de 12m; b)variaión entre la tendenia experimental y la obtenida por euaión, para separaión de 14m -2 ) Euaión Lineal (Euaión) y = 3,2x Deformaion Unitaria (*1 Experimental Lineal (Experimental) -2 ) Euaión Lineal (Euaión) Relaión arga diámetro Según el análisis, una de las variables que más inide en el omportamiento de estas seiones ompuestas es la relaión existente entre la arga y el diámetro del onetor. Para estableer un estimativo de esta inidenia aorde on los resultados obtenidos en el laboratorio se realizaron varias orrelaiones gráfias y una serie de análisis, base de este estudio. En la Figura 11a se india la tendenia enontrada on la ual se definieron dos euaiones, una para separaiones entre onetores menores a,12 m y otra para separaiones entre onetores mayores o iguales a,12 m. Es importante alarar que estas euaiones son exlusivamente para onetores tipo tornillo grado 2 y onreto de 28MPa. 2 1 Figura 11. Variaión entre la tendenia experimental y la obtenida por euaión; a) urva arga frente a diámetro; b) urva arga frente a separaión Para separaiones menores a,12 m: P = 1.1 f E φn (2) Para separaiones mayores o iguales a,12 m: P = f E φn (3) y = 172,9x,422 a. b. y = 158.2x Experimental Potenial (Experimental) y = 71,12x,4534 Diámetro (m) Euaión Potenial (Euaión) y = 75,46x,5116,2,4,6,8,1,12,14,16,18,2 Experimental Potenial (Experimental) Separaión (m) Euaión Potenial (Euaión) 23

7 COMPORTAMIENTO DE LOS CONECTORES DE CORTANTE TIPO TORNILLO DE RESISTENCIA GRADO DOS PARA UNA SECCIÓN COMPUESTA CON CONCRETO DE 28 MPA Relaión arga separaión En este aso se espeifió una euaión para determinar la resistenia de los onetores tipo tornillo dentro de la seión ompuesta (4). Esta euaión está en funión del onreto y de la separaión entre onetores. La Figura 11b muestra los datos utilizados y la tendenia enontrada tanto experimentalmente omo por la euaión planteada. Comparaión de euaiones Como se puede ver en las Figuras 12 a y b, los valores obtenidos experimentalmente son mayores a los esperados teóriamente utilizando la euaión estableida en la NSR- 98 (para onetores tipo espigo), lo que india una mayor resistenia de los onetores tipo tornillo. La diferenia entre las argas es notable, la ual varía entre 1kN y 2kN para la gráfia arga vs. diámetro y entre kn a 2kN para la de arga vs. separaión, mostrando una aumento signifiativo de la resistenia de los onetores, lo ual influye en la sobrerresistenia de las seiones a. b. Figura 12. Variaión entre la tendenia experimental y la obtenida por euaión; a) urva arga frente a diámetro; b) urva arga frente a separaión (4),1,2,3,4,5,6 NSR-98 Potenial (EXPERIMENTAL) Diámetro (m) EXPERIMENTAL Potenial (NSR-98),5,1,15,2 NSR-98 Potenial (EXPERIMENTAL) Separaión (m) EXPERIMENTAL Potenial (NSR-98) Conlusiones La resistenia de los onetores tipo tornillo grado 2, se enuentra influeniada prinipalmente por el diámetro y la resistenia a la ompresión del onreto, de auerdo on las pruebas y los análisis realizados. Con base en ellos se estableieron las siguientes euaiones propuestas para onetores de ortante tipo tornillo grado 2: Para separaiones menores a,12 m: P = 1.1 f E φn Para separaiones mayores o iguales a,12 m: P = f E φn Existe una resistenia mayor a la esperada de los onetores tipo tornillo, de auerdo on las euaiones formuladas empíriamente y las estableidas en la NSR-98, de aproximadamente el 2%. Esta sobrerresistenia puede deberse a las diferentes propiedades meánias del material del espigo y del tornillo, ya que para espigos de ½ a ¾ el esfuerzo último a tensión es de aproximadamente 42 MPa (valor tomado de atálogo de Nelson Stud) y para los tornillos el esfuerzo último a tensión es mayor a 468 MPa (de auerdo on los ensayos realizados a los tornillos); también puede atribuirse algún porentaje a la adherenia entre onreto y onetor, debida tanto a la rosa del tornillo omo a la forma hexagonal de la abeza del mismo. La arga última en los onetores de ortante tipo tornillo, de auerdo on la relaión entre arga y desplazamiento, está dada por la siguiente expresión: Los tornillos omo onetores de ortante pueden estableerse dentro de los onetores rígidos, los uales produen falla en la soldadura o en el onreto a ausa de la onentraión de esfuerzos en las zonas irundantes al tornillo. Por lo tanto, no es reomendable la utilizaión de las euaiones para onetores de ortante tipo espigo en el diseño de las seiones ompuestas on onetores de ortante tipo tornillo. Agradeimientos Este trabajo fue posible graias a la olaboraión de la Direión de Investigaión Sede Bogotá (DIB) de la Universidad Naional de Colombia, quienes finaniaron la investigaión Nomenlatura P: resistenia de onetores tipo tornillo [kn] f : resistenia a ompresión del onreto [MPa] E : módulo de elastiidad del onreto [MPa] φ : diámetro del onetor tipo tornillo [m] 24

8 LARRAÑAGA, MOLINA n : número de onetores tipo tornillo Pu: arga última [kn] Δ : deformaión unitaria * 1-2 S : separaión entre onetores tipo tornillo [m] Bibliografía AISC., Asoiaión Colombiana de Ingeniería Sísmia, Normas Colombianas de Diseño y Construión Sismo Resistente, Colombia, AISC, 2. Allan, B., Yen, B. T., Slutter, R. G., and Fisher, J. W., Comparative Tests on Composite Beams with Formed Metal Dek., Fritz Engineering Laboratory, Report No , Bethlehem, PA., Lehigh University, Caro, J. y Muñoz, D., Comportamiento a flexión del sistema onformado por un perfil MM y una losa aligerada ompuesta por onreto, perfil omega y bloque de arilla., Tesis presentada a la Universidad Naional de Colombia, para optar por al grado de Ingeniero Civil, 23. Chinn, J., Pushout Tests on Lightweight Composite Slabs., Engineering Journal, AISC, Vol. 4, 1965, pp Davies, C., Small-Sale Push-Out Tests on Welded Stud Shear Connetors., Journal Conrete, Sept. 1967, pp Goble, G. G., Shear Strength of Thin Flange Composite Speimens., Engineering Journal, Vol. 5, 1968, pp Ollgaard, J. G., Slutter, R. G., and Fisher, J. W., Shear Strength of Stud Connetors inlightweight and Normal-Weight Conrete., Engineering Journal, AISC, Vol. 8, 1971, pp Slutter, R. G. and Drisoll, G. C., Researh on Composite Desing at Lehigh University Proeedings., National Engineering Conferene, AISC, May, 1961 Slutter, R. G., and Drisoll, G. C., Flexural Strength of Steel-Conrete Composite Beams., Journal Strutural, Div., Vol. 2, 1965, pp Viest, I. M., Test of Stud Shear Connetors Parts I, II, III y IV., Test Data, Nelson Stud Welding, Lorain, Ohio,