CONEXIÓN DE FORJADOS DE HORMIGÓN A SOPORTES METÁLICOS

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1 CONEXIÓN DE FORJADOS DE HORMIGÓN A SOPORTES METÁLICOS Conepión VELANDO CABAÑAS Ingeniero de Caminos APTA y Dp. Me., ETSICCP, UPM Profesor Asoiado onepion.velando@apta.org.es Jaime CERVERA BRAVO Dr. Arquiteto Dp. Estr. Edif., ETSAM, UPM Catedrátio jaime.ervera@upm.es José Ignaio HERNANDO GARCÍA Dr. Arquiteto Dp. Estr. Edif., ETSAM, UPM Profesor Titular joseignaio.hernando@upm.es Antonio AZNAR LOPEZ Arquiteto Dp. Estr. Edif., ETSAM, UPM Investigador antonio.aznar@upm.es Jesús ORTIZ HERRERA Dr. Ingeniero de Caminos HCA y Dp. Estr. Edif., ETSAM, UPM Catedrátio jortiz@aminos.reol.es Emilio GARCÍA ALONSO Arquiteto APTA emilio.garia@apta.org.es Resumen La onexión mediante pernos onetadores en las estruturas mixtas de hormigón y aero ha experimentado un avane notable en los últimos años, tanto desde el punto de vista de la investigaión, omo de la tenología de los nuevos produtos y su puesta en obra omo de su apliaión de manera segura y eonómia en un número ada vez mayor de elementos estruturales. Este artíulo resume un proyeto de investigaión que pretende omprobar experimentalmente el funionamiento de la onexión de un forjado de hormigón a un soporte metálio realizado mediante pernos onetadores. Esta tipología es habitual y está muy ontrastada en la onstruión de vigas mixtas, pero no así en los nudos. Palabras Clave: soporte de aero, forjado de hormigón, pernos onetadores, estruturas de edifiaión, nudo. 1. Introduión Hasta hae no muho tiempo, las estruturas metálias y las estruturas de hormigón perteneían a mundos distintos. Afortunadamente esta situaión está ambiando rápidamente porque indudablemente ada material y tenología tiene sus ventajas e inonvenientes y en muhos asos la soluión óptima es una ombinaión de ambos. Ante esta realidad es fundamental que las normas de proyeto para los dos materiales sean onsistentes, espeialmente en aquellos asos o elementos donde ambos trabajen onjuntamente. La normativa para ada uno de los materiales se ha desarrollado de manera independiente, lo que se tradue en la atualidad en diferenias en las bases de álulo y en los riterios de diseño y tratamiento de varios aspetos. Para aprovehar toda la potenia de las estruturas mixtas es impresindible entender los prinipios fundamentales del funionamiento de los dos materiales para entender el omportamiento global de la estrutura y ombinarlo on el onoimento del omportamiento loal del sistema de onexión. 2. Proyeto de investigaión 2.1 Objetivos El prinipal objetivo de este proyeto es onoer el funionamiento de una estrutura mixta pilar metálio-forjado de hormigón en el ámbito de la edifiaión. La aportaión nueva de este proyeto es el meanismo de onexión, pernos onetadores, que aún siendo habitual en las vigas mixtas y en los forjados mixtos on hapa olaborante, sólo se ha apliado esporádiamente para los nudos pilar-forjado y sin respaldo experimental (Fig 1).

2 En edifiaión onvenional, la onexión pilar metálio-forjado de hormigón se ha venido realizando generalmente disponiendo unas ruetas metálias que quedan embebidas en el hormigón. Suelen utilizarse perfiles UPN que se sueldan al soporte (Fig 1). Este detalle omplia la ejeuión y disminuye las ventajas de la onstruión industrializada, ya que si se monta en taller (que es lo deseable) se difiulta enormemente el transporte a obra. Fig. 1 Detalles de onexión de forjados de hormigón a pilares metálios on ruetas y on pernos onetadores 2.2 Campaña experimental En los ensayos se busa estudiar el omportamiento de un nudo tipo de una estrutura de edifiaión, para lo ual se reprodue un modelo lásio de subestrutura de un pórtio regular. No existen ensayos normalizados para este tipo de uniones por lo que se ha elaborado un protoolo para los ensayos que se ajuste lo mas posible a la realidad dentro de las posibilidades y medios del laboratorio. Los ensayos se están realizando en la Esuela Ténia Superior de Ingenieros de Caminos de Santander on la olaboraión del Profesor D. Germán Gutierrez. Se están realizando 12 ensayos agrupados en ategorías en funión de la posiión de apliaión de las argas y variando el número de onetadores y/o distribuión de los mismos en el interior del nudo (Fig 2). Se analizarán los meanismos de rotura, los diagramas arga movimiento, el giro de la viga y del pilar en las seiones adyaentes al nudo, las tensiones en los onetadores y en los eros horizontales (armaduras del nudo), la evoluión de la fisuraión, et. Los resultados del proyeto se plasmarán en una publiaión de CatedrAero que reogerá los resultados experimentales e inluirá unas reomendaiones para el proyeto y ejeuión de estas uniones. Fig. 2 Cuadro de definiión de ensayos

3 De los ensayos previstos atualmente se ha realizado el primero (A_2C_2P de la figura 2). En la figura 3 se inluye el detalle del armado y la disposiión de onetadores on los que se fabriaron las piezas que se ensayaron. Debido a su simetría, el momento fletor del soporte debe anularse, lo ual justifia que, en lugar del relativamente ostoso modelo de subestrutura, se estudie la senilla viga representada. La arga se aplia sobre el pilar metálio embebido en la viga y solidarizado on la misma mediante los onetadores. Diha arga debe interpretarse omo el inremento del axil que se produe en el soporte de una estrutura de edifiaión debido al ortante del forjado orrespondiente, si bien el sentido se ha invertido: respeto a un nudo estándar la disposiión de las armaduras en la figura 3 está invertida Ø A1 4Ø h=0.30 2Ø6/ A2 6Ø16 HEB 140 1Ø16 CONECTADORES NELSON Ó KÖCO, ST-37-3K (DIN 17100) ACERO ARMADURAS B-500-S HORMIGÓN HA-25 1/9 ENSAYO 4_1 (A) SECCIÓN LONGITUDINAL Ø CONECTADORES NELSON Ó KÖCO, ST-37-3K (DIN 17100) ACERO ARMADURAS B-500-S HORMIGÓN HA-25 3/9 ENSAYO 4_1 (A) SECCIÓN LONGITUDINAL Fig. 3 Planos de armadura de la vigas para el ensayo

4 2.3 Justifiaión del diseño En este primer ensayo se primó la senillez on objeto de haer evidentes las variables fundamentales del problema. De éstas, se onsideró el rozamiento entre la viga y el pilar una de las primordiales. Con objeto de reonoer su efeto en el omportamiento del nudo, se han realizado dos ensayos de la viga representada en la figura 3. En uno de ellos se oloó en la superfiie de ontato entre el hormigón y el aero una lámina de teflón de 2 mm de espesor on objeto de reduir al máximo el rozamiento. Comparando el resultado de los dos ensayos se espera poder uantifiar el efeto del rozamiento, si bien no debería onsiderarse en álulos de proyeto su ontribuión salvo espeifiaión de un tratamiento superfiial apropiado del nudo que desvirtuaría la senillez del proeso onstrutivo. Fig. 4 Pilar forrado de teflón En aras nuevamente de la senillez se optó por el diseño on un número menor de pernos, lo que se tradue en una arga de rotura menor que failita la realizaión del ensayo, y el menor diámetro de los mismos que se enontró en el merado (köo st-37-3k (din 17100) φ 10x100). Debe haerse nuevamente una advertenia relativa a los proyetos reales, los diámetros de los pernos según EN Deember 2004 [1] deben estar omprendidos entre los siguientes valores: 16 mm φ 25 mm. Conoido el diámetro de los onetadores y la alidad del hormigón, se estima según EN la resistenia de los onetadores. A partir de este valor se determinan las armaduras de la viga de manera que los posibles meanismos de olapso distinto al de agotamiento de los onetadores se alanen para argas sustanialmente mayores (del orden de dos vees la resistenia teória de los onetadores). El objeto obvio de estas ondiiones de diseño es evitar roturas prematuras (por flexión, ortante, punzonamiento, et.) a la del meanismo que se desea estudiar (aunque finalmente, a pesar de todas estas preauiones, esto es lo que ourrió en el ensayo realizado sin teflón). A ontinuaión se alula y justifia el diámetro de los eros horizontales (armaduras del nudo). Las armaduras longitudinales y los eros estándar de ortante se dimensionaron para una arga 2,5 vees la resistenia teória de los onetadores Resistenia de los pernos Según de la EN , la resistenia de un perno onetador omo los utilizados en el ensayo viene dada por el menor valor de las expresiones: P Rd 2 2 0,8 fu π d / 4 0,29 α d fk Em = PRd = (1) γ V γ V

5 Expresiones que uando se partiularizan para un perno 1φ10x100 St-37-3k en un hormigón H25 resultan: f k = 25 N/mm 2, E m = N/mm 2 (EN :2004) [2], f u = 450 N/mm 2, d = 10 mm,γ V = 1,25, α = 1 P Rd = 0, ,5 /1,25 = 22, 6kN ( ) /1,25 20, kn P Rd = 0, = 4 Con dos pernos onetadores en ada seión resulta: V Ed n P Rd = 40,8 kn Y la arga máxima de álulo de la viga sería: 2 V Ed 81,6 kn Valores que de auerdo on EN deben utilizarse en el proyeto de una unión omo la propuesta. Con objeto de estimar la arga real de rotura de la viga que se ensaya, deben ajustarse los valores teórios de resistenia a los medidos en el ensayo. El día que se realizó el primer ensayo de la viga (on reubrimiento de teflón) se realizaron dos ensayos de rotura de probetas uyos resultados fueron 25,90 MPa y 26,90 MPa respetivamente, para la resistenia del hormigón. Y en el segundo ensayo (sin teflón) los valores de la resistenia de las probetas de hormigón fueron 27,6 MPa y 27,7 MPa. En la figura 5 se representan los resultados del ensayo a traión de los pernos onetadores del que se obtiene f u = N / 78,5 mm 2 = 573 N/mm 2, y por tanto P Rd = 0, ,5 / 1,25 = 28,8kN Fuerza en gato (kp) Ensayo de traión Ensayo de traión 2 0-5,0 0,0 5,0 10,0 15,0 20,0 25,0-500 Desplazamiento medio (mm) Fig. 5 Gráfia del ensayo de traión de los dos onetadores ensayados En ualquier aso es ondiionante el valor de P Rd que se obtiene de la segunda expresión y no se omete un error signifiativo por usar el valor teório de la resistenia del hormigón. f k = 26,4 N/mm 2, E m = N/mm 2 P Rd = 0, , / 1,25 = 21, 2kN f k = 27,6 N/mm 2, E m = N/mm 2 P Rd = 0, , / 1,25 = 21, 8kN si se presinde finalmente del oefiiente de seguridad γ v =1,25 (para omprobar los resultados del ensayo se verifiará V Ed V R y además V Ed = V E ) para ada uno de los ensayos se obtiene P R =26,5 kn y P R =27,2 kn, on lo que finalmente resultan los siguientes valores: V Ed n P R = 53 kn 2 V Ed 106 kn V Ed n P R = 54,4 kn 2 V Ed 108,8 kn Si la resultante F del bloque omprimido se distribuye uniformemente en el anho de la viga, una ompresión del orden de (b s /b )F = κ F se transmitirá por ontato direto hormigón-aero estrutural, lo que inrementará la resistenia a esfuerzo ortante por rozamiento (figura 6): V Ed n P R + 2 μ κ F (2)

6 donde el fator 2 que aparee en el segundo término se debe a los dos planos de rozamiento que existen en ada una de las almas del perfil. Se reitera que salvo espeifiaión de un tratamiento superfiial apropiado del nudo, que desvirtuaría la senillez del proeso, no debería onsiderarse en álulos de proyeto la ontribuión del rozamiento. En el ensayo se puede estimar F M/z =(2 V Ed 2/4)/0,220 4,54 V Ed, y κ 0,140/0,6 = 0,233, de donde V Ed n P R + μ 2,12 V Ed ; V Ed n P R / (1-μ 2,12) 1Ø16 1Ø16 A2 6Ø16 A1 4Ø12 V Ed F HEB 140 A1 4Ø12 F F V Ed V Ed V Ed A2 6Ø16 HEB 140 F Fig.6 Esquema de fuerzas en el nudo En la siguiente gráfia (figura 7) se representa el efeto del rozamiento en el máximo valor de V Ed que abe esperar, donde se apreia que un oefiiente de rozamiento de 0,10 supone un inremento del valor posible de V Ed de un 27% y si el oefiiente de rozamiento alanza el valor 0,25 entones V Ed puede llegar a dupliarse (se multiplia por el fator 2,13). En la segunda gráfia se representa el efeto del fator κ en el valor máximo de V Ed tomando omo referenia el valor κ=0,233 postulado para el aso partiular de μ=0,10. Si κ se duplia, el máximo valor posible V Ed puede llegar a multipliarse por el fator 1,37. V Ed 2,13 V Ed 1,37 1 1,27 0,0 0,1 0,25 μ 0,0 0,23 κ 0,466 μ Fig.7 Variaión de VEd en funión de los parámetrosμ y κ Suponiendo para el teflón un oefiiente de rozamiento próximo a 0,10 y κ=0,233 el valor de V Ed máximo será: V Ed 1,26 n P R = 66,8 kn 2 V Ed 133,6 kn El valor máximo de V Ed que se puede esperar para μ=0,10 (on κ=1) es 10,8 vees el obtenido sin ontemplar el rozamiento V Ed 10 n P R = 530 kn 2 V Ed 1060 kn Aunque los resultados del ensayo superaron ampliamente los primeros valores, quedaron alejados de los segundos.

7 Antes de onoer los resultados del ensayo tomando el valor teório 2 V Ed = 81,6 kn, se dimensionaron las armaduras longitudinales y los eros on un oefiiente de seguridad de 2,5 omo ya se ha indiado. Este fator se estimó sufiiente para evitar la rotura de la pieza por flexión o ortante. Cabría haber aumentado este oefiiente, pero a osta de elevar las uantías de las armaduras estándar a valores no onvenionales en las estruturas de edifiaión. No es el objeto de estos primeros ensayos uantifiar, ni tan siquiera probar, el efeto de dihas uantías sobre la resistenia del nudo por lo que se optó por el armado de la figura 3. Con un riterio similar, intentar evitar roturas previas a las de los onetadores, se realizaron varias omprobaiones adiionales del nudo que se detallan a ontinuaión Comprobaión de la línea de izallamiento 1 (figura 8) º Línea de Cizallamiento Ø Ø º Línea de Cizallamiento Ø16 Fig.8 Esquemas de las posibles líneas de izallamiento La omprobaión que se realiza es razonablemente onservadora pues no se onsidera ninguna de las armaduras de flexión o ortante de la viga que finalmente intersetan a la línea de izalladura marada. Para esta línea de izallamiento, la transripión del artíulo 46 de la EHE [3] es disutible, por lo que se ha optado por un meanismo de bielas y tirantes ("regla de osido") en el que intervienen omo "tirantes" las ramas de uno solo de los φ16 (el superior o inferior, dependiendo de la orientaión de V Ed ). De auerdo on el artíulo de EHE 2V Ed A f yp,d = /1000 = 321 kn (3) V Ed = 161 kn Además, se omprueba la ompresión del hormigón omo sigue 2V Ed 4 0, /1000 = 900 kn donde el fator 4 se debe a las uatro superfiies resaltadas en la figura 8. Comprobaión muy burda pero robusta que muestra que para la línea de izalladura analizada, la ompresión del hormigón no es ondiionante. Se llega a un resultado ualitativamente similar si esta omprobaión del hormigón se realiza según el artíulo de la EHE. En ualquier aso, el mínimo de los dos anteriores (V Ed = 161 kn ) supera la resistenia de los onetadores, por lo que esta rotura no será previa a la que se quiere estudiar. Sin embargo nótese que de haber utilizado 2φ10 2V E d A f yp,d = /1000 = 125 kn V Ed = 62,8 kn Y esta rotura sería asi simultánea a la de los onetadores e inluso previa si se onsidera el efeto del rozamiento on las onsideraiones previas, lo ual pone de manifiesto la neesidad de esta armadura φ16 propia del nudo. Para los eros φ16, el valor obtenido para V Ed supera ampliamente la resistenia de los onetadores (161/81,6=1,97), aunque omo se ha visto, es posible que la resistenia de éstos llegue a exeder signifiativamente diho límite por la ontribuión del rozamiento. Pero también es verdad que para el álulo del diámetro de los eros del nudo se han utilizado simplifiaiones bastante onservadoras Comprobaión de la línea de izallamiento 2 (figura 8) Para esta línea de izallamiento, la apliaión de la EHE requiere que los eros y armaduras (al menos en parte) de la viga interseten diha línea. Con la armadura dispuesta, serían dos eros (φ6) más dos armaduras superiores (φ16) y dos inferiores (φ12). Según el artíulo 46.2 de la EHE: τ Rd = 0,12 ξ (100ρ L f k ) 1/3 = 0,12 1,877 (100 0, ) 1/3 = 0,501 N/mm2 (4)

8 siendo: ρ x = 2 ( )/( ) = 0,00872 ρ y = ,3/( ) = 0,00222 ρ L = (ρ x ρ y ) 1/2 = 0,0044 Con d = 260 mm: ξ = 1+(200/d) 1/2 = 1,877 β = 1,0 Por lo tanto: 2V Ed 0,501 4 (240+50) 300/1000 = 174 kn V Ed 87,2 kn Para realizar las omprobaiones anteriores la regla de EN remite a EN , 6.2.4(4), donde se obtiene la siguiente expresión: VEd hf ( Asf fyd / sf ) (5) ot gθ f que ha sido el riterio apliado en la 1ª línea de izallamiento on otg θ f = 1, aunque on sólo una apa efetiva de armaduras (la superior o la inferior), por el motivo ya indiado. Operando análogamente, para la 2ª línea de izallamiento, se obtiene: 2V Ed A f yp,d = (2 2 28, ) 400/1000=366,9 kn V Ed 183,4 kn 2.4 Resultado de los ensayos La figura 9 muestra la rotura de las dos vigas ensayadas. La primera orresponde al ensayo en el ual se interpuso el teflón entre el hormigón y el aero. La rotura que se produjo fue la prevista en el apartado (resistenia de los pernos) pero on un valor de la arga sustanialmente mayor al previsto inluso uando se onsideró el rozamiento. Tal omo se apreia en la figura, la viga apenas se fisuró, y una vez eliminada la arga no quedaron deformaiones permanentes. Fig 9 Fotografías de la rotura de la viga on teflón y sin teflón respetivamente En la figura 10 se muestran onjuntamente los desplazamientos vertiales de la viga y el pilar metálio. Para valores de la arga en torno a su valor de serviio nominal (del orden de 54,4 kn 5440 kp), los deslizamientos de la unión (diferenias de absisas de las dos urvas grafiadas) son prátiamente nulos (del orden de ¼ de mm), mostrando pues un exelente omportamiento en este aspeto, inluso bajo ondiiones tan desfavorables omo las deliberadamente

9 provoadas en el ensayo por la interfase de teflón (PTFE). Para la arga última nominal (2V Rd = 81,8 kn 8160 kp), los deslizamientos son inferiores a medio milímetro. Para alanzar un deslizamiento de 1 mm ha sido preiso apliar una arga del orden de 1,5 vees la anterior. La arga última experimental supera 2,5 vees V Rd, lo ual onstituye un resultado tan favorable que inluso difiulta la interpretaión del ensayo. Al llegar a la arga última experimental, los deslizamientos son del orden de 4 mm, y reen aproximadamente hasta 7 vees diho valor en el instante de la rotura (figura 12), manifestando pues un ausado esalón de edenia, durante la mayor parte del ual la respuesta de la unión no ae más de un 15 % respeto de la arga de pio. En suma, desde el punto de vista estátio la unión se ha omportado muho más favorablemente que las expetativas más optimistas; y desde el punto de vista inemátio, la prátia ausenia de deslizamientos para las argas de serviio nominales no le ha impedido manifestar en rotura un omportamiento laramente dútil; de manera que la unión ensayada aporta unas exelentes prestaiones tanto estátias omo inemátias. Es laro que por el tipo de rotura alanzada (rotura en la unión, on viga deliberadamente sobre-armada on esa finalidad), la misma no ha "avisado" de la manera habitual, on formaión de fisuras y rotaiones plástias muy aparentes, senillamente porque no ha llegado a formarse el habitual meanismo de olapso por flexión de la viga, sino mediante deslizamientos relativos entre la viga y el perfil metálio menos llamativos, aunque perfetamente "dútiles", según lo ya omentado. Según se apreia en la segunda figura, la rotura de la segunda viga se produjo por flexión a pesar de las preauiones indiadas en el texto. Resultado valioso pues muestra la reserva de seguridad que supone el rozamiento aunque en ningún aso pueda ontarse on él en el análisis de estos nudos, salvo espeifiaiones onstrutivas tendentes a garantizar un determinado valor mínimo del oefiiente de rozamiento, lo que desvirtuaría la senillez onstrutiva que este tipo de nudo aporta. Sin embargo, la inidenia favorable del rozamiento ha resultado tan espetaular, que deja la puerta abierta a reonsiderar tal vez lo anteriormente diho en futuras investigaiones. Fuerza en gato (kp) ENSAYO DE UNIÓN VIGA DE HORMIGÓN - PILAR METÁLICO CON TEFLÓN 5000 Desplazamiento vertial viga (mm) Desplazamiento vertial perfil (mm) 0-10,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60, mm ENSAYO DE UNIÓN VIGA DE HORMIGÓN - PILAR METÁLICO SIN TEFLÓN Fuerza en gato (kp) Desplazamiento vertial viga (mm) Desplazamiento vertial perfil (mm) ,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60, mm Fig.10 Desplazamientos vertiales del pilar y la viga para las dos vigas ensayadas

10 ENSAYO DE UNIÓN VIGA DE HORMIGÓN - PILAR METÁLICO CON TEFLÓN Fuerza en gato (kp) MOVIMIENTOS RELATIVOS EN ZONA INFERIOR Movimiento relativo entre el alma en la zona inferior del perfil y la viga ( mm) ,0-5,0-4,0-3,0-2,0-1,0 0,0 1,0 mm Fig.11 Desplazamientos vertiales relativos de la viga y el pilar on teflón Fig.12 Fotografías de la rotura del pilar on teflón 2.5 Referenias [1] EN Euroode 4: Design of omposite steel and onrete strutures Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN European Committee for Standardization, [2] EN Euroode 2: Design of onrete strutures Part 1-1: General rules and rules for buildings, CEN European Committee for Standardization, [3] EHE Instruión de Hormigón Estrutural, Ministerio de Fomento, 2000.