Ensayos de Corte Directo de Conectores de Cortante Tipo Canal en Losas de Concreto sobre Lámina Colaborante

Transcripción

1 Ensayos de Corte Directo de Conectores de Cortante Tipo Canal en Losas de Concreto sobre Lámina Colaborante Fabio Hoyos Toro, IC, MI Gilberto Areiza Palma, IC, MSc Universidad del Valle

2 Agradecimientos Los autores desean expresar su agradecimiento a: La empresa Acerías de Colombia S.A. ACESCO La empresa Construcciones y Aceros S.A. Fedestructuras Valle A la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle Al personal del Laboratorio de Estructuras de la Escuela de Ingeniería Civil y Geomática de la Universidad del Valle por la invaluable colaboración y permanente disposición para la realización de los ensayos

3 Láminas introducidas al país: 1995 Vigas en sección compuesta

4 OBJETIVOS GENERAL: Determinar el comportamiento experimental de los conectores de cortante tipo canal laminado en perfiles laminados de acero de alma llena y losas de concreto vaciadas sobre tableros metálicos. ESPECÍFICOS: Analizar la influencia de: Resistencia del concreto Longitud del canal La posición del canal en el valle del tablero metálico La altura del tablero metálico y la altura del canal respecto a la altura de la lámina colaborante La forma de cargar el conector (por el frente o la espalda) La orientación de la lámina en el comportamiento y resistencia de conectores de cortante tipo canal. Evaluar las ecuaciones de diseño de conectores de cortante tipo canal Proponer un procedimiento de diseño para conectores de tipo canal laminado embebidos en losas de concreto vaciadas sobre tableros metálicos

5 JUSTIFICACIÓN

6 JUSTIFICACIÓN Asc : área de la sección transversal del conector f c : resistencia a compresión del concreto Ec : módulo de elasticidad del concreto Fu : resistencia a tensión mínima del acero del conector Rg y Rp : coeficientes que dependen del tipo de losa

7 JUSTIFICACIÓN

8 Fuente: AISC

9 ANTECEDENTES Conectores tipo canal VIEST (1952) University of Illinois Full-scale tests of cannel shear connectors and composite T-beams. SLUTTER AND DRISCOLL (1965) Lehigh University Flexural strength of steel-concrete composite beams.

10 ANTECEDENTES Conectores tipo canal PASHAN (2006) Behaviour of cannel shear connectors: push-out tests. RAMIREZ, LARRÚA Y OTROS (2007) Proyecto SENACYT Fundamentación experimental de sistemas estructurales y productos para el desarrollo competitivo de la construcción compuesta

11 ANTECEDENTES Conectores tipo canal HUERTAS (2013) Comportamiento De Canales Como Conectores De Cortante Para Un Sistema De Sección Compuesta Usando Lámina Colaborante. R= 1.00, para conectores en láminas orientadas en sentido paralelo a la viga R= 0.53, para conector de cortante tipo canal de 50 mm de longitud. R= 0.47, para conector de cortante tipo canal de 70 mm de longitud. R= 0.43, para conector de cortante tipo canal de 90 mm de longitud.

12 ANTECEDENTES Conectores tipo espigo (stud) RODDENBERRY (2002) - VIT Behavior and strength of welded stud shear connectors. MOLINA, HURTADO (2011) Formulación para el diseño de conectores de cortante tipo tornillo en secciones compuestas.

13 ESTADO DEL ARTE COMPORTAMIENTO DE CONECTORES La experimentación ha sido la herramienta principal para establecer el comportamiento de las conexiones en secciones compuestas. Son tres los principales ensayos: - Ensayos a corte directo (push-out) - Ensayos de vigas a escala real - Ensayos de losas compuestas

14 - Se fabricaron 57 probetas FASE EXPERIMENTAL Descripción de las probetas - Los especímenes se diseñaron con una geometría parecida a los ensayos de Roddenberry - No se empleó la metodología del Eurocódigo 4 ya que esta predispuesta sólo para losas macizas

15 Serie Probeta Canal FASE EXPERIMENTAL Longitu d L c (mm) Descripción de las probetas Posición Resistencia Concreto f' c (MPa) Altura lámina h r (mm) Orientación de la lámina Espeso r losa t c (mm) 1 P1 P2 P3 C3x F N 10cm F 2 P4 P5 P6 C3x D N 10cm F 3 P7 P8 P9 C3x M N 10cm F 4 P10 P11 P12 C3x M N 10cm F 5 P13 P14 P15 C3x M N 10cm F 6** P16 P17 P18 C3x M N 10cm F 7 P19 P20 P21 C3x M N 10cm F 8** P22 P23 P24 C3x M N 10cm F 9** P25 P26 P27 C3x M N 10cm F 10 P28 P29 P30 C3x M N 10cm F 11** P31 P32 P33 C3x M P 12cm F 12** P34 P35 P36 C4x M N 12cm F 13 P37 P38 P39 C4x M N 13cm F 14 P40 P41 P42 C4x M N 13cm F 15 P43 P44 P45 C4x M N 13cm F 16** P46 P47 P48 C4x M N 13cm F 17 P49 P50 P51 C3x M N 10cm E 18 P52 P53 P54 C3x F N 10cm E 19 P55 P56 P57 C3x D N 10cm E Canal cargado por el 20 P58* C3x M N 10cm F

16 FASE EXPERIMENTAL Preparación de las probetas Perfiles Sección T Perfiles Sección T con los conectores instalados sobre los patines. Fundición de las losas con concreto premezclado Armado de las probetas a ensayar

17 FASE EXPERIMENTAL Descripción del ensayo Las probetas se ensayaron de acuerdo con los procedimientos descritos en la investigación de Rodenberry. La carga axial se aplicó con incrementos de 25 KN; se aplicó lateralmente una carga del 10% de la carga vertical. La carga de confinamiento se usó para simular el efecto de cargas verticales como sucede en las losas de entrepisos También se garantizó el contacto permanente entre el perfil de acero que conforma la viga y los valles del tablero metálico y se ubicaron en la mayoría de casos dos conectores en cada losa para evitar que falla por flexión. Falla típica de probeta sin cargas de confinamiento. Falla sin confinamiento y flexión en la losa

18 FASE EXPERIMENTAL Montaje de los ensayos

19 Gato de 500 KN LVDT FASE EXPERIMENTAL Instrumentación Celda de carga 500 KN Platina de 25 mm Probeta Varillas roscadas Celda de carga 250 KN Gato de 500 KN Perfil metálico de confinamiento Platina de 38 mm Marco de ensayos

20 FASE EXPERIMENTAL Caracterización de los materiales Resistencias de los concretos Concreto: 35 Mpa 21 Mpa 35 Mpa Fecha del ensayo Dic 1/2014 Dic 3/2014 Dic 11/ Promedio Desviación estándar Resistencia del acero de los conectores Muestra Ancho (mm) Espesor (mm) Esfuerzo Fluencia (MPa) Esfuerzo Máximo (MPa) % de elongación en 20cm Tipo de Falla Canal Fuera del tercio central Canal Fuera del tercio central

21 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Tipo de falla Descripción 1 Falla localizada en el concreto (aplastamiento del concreto) entre el canal y el valle por el sentido de la dirección de la carga de cortante de la losa. 2 Plastificación del conector. 3 Fractura del conector en el arranque del alma. 4 Abombamiento del valle de la lámina 5 Cizallamiento del concreto en la parte superior del valle 6 Fisura horizontal de la losa de la probeta.

22 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 1: Falla localizada del concreto (aplastamiento del concreto) Dirección de aplicación de la carga a corte directo Falla localizada en el concreto (aplastamiento) que ocurre entre la lámina y el conector en la posición donde proviene la carga a corte directo.

23 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 2: Plastificación del conector

24 Carga por conector (KN) RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 3: Fractura del alma del conector Deslizamiento (mm) La fractura del alma fue la falla común en probetas con mayor resistencia de concreto. Se observó que los canales con menor longitud y menor espesor del alma eran más susceptibles a sufrir fractura debido a la menor capacidad de carga del conector

25 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 4: Falla del valle del tablero metálico Abombamient o del valle Desgarramient o de la lámina Se presentó en el caso de alta resistencia del concreto Se presentó desgarramiento del acero del tablero justo en las esquinas de las aberturas de la lámina.

26 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 5: Cizallamiento del concreto sobre la cabeza del conector Falla común en probetas con conectores de 4. Al parecer la rigidez y resistencia de los conectores C4x5.4 causan altas fuerzas cortantes por encima del valle de manera que la parte maciza de la losa se desprendiera del nervio del tablero.

27 RESULTADOS EXPERIMENTALES Mecanismos de falla Modo 6: Fractura de la losa Grieta horizontal de la probeta Para conectores con grandes deformaciones (plastificación): Fisuración del concreto en el ancho de las losas. La fisura inicia en el borde de la cresta del tablero metálico Las láminas se separan del concreto debido al gran deslizamiento entre el perfil y el concreto Conforme el conector se plastifica, la losa se desplazaba y se agrieta

28 Carga por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Resistencia del concreto 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 4,25 4,75 5,25 5,75 6,25 6,75 f'c ( MPa) Carga vs. Deslizamiento canales L=50mm y altura de lámina de 2 pulgadas Lc=50mm Lc=75mm Lc=100mm Carga por canal vs. f c para diferentes longitudes de canal C3x4.1 De acuerdo con los resultados obtenidos, la resistencia del concreto rige el modo de falla. La curva carga-deslizamiento para la falla del alma del conector llega a un abrupto final cuando la resistencia del concreto es alta. Cuando se produce la falla en el concreto la carga de los conectores se mantiene, pero se produce un mayor deslizamiento entre la losa y la viga El aumento de la carga comparado con la raíz cuadrada de la resistencia a la compresión del concreto de las tres curvas se considera aproximadamente lineal.

29 Carga por conector (KN) Carga por conector (KN) Carga por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Longitud del conector ,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, ,00 85,00 80,00 75,00 70,00 65,00 60,00 55,00 50,00 45,00 40, Desplazamiento(mm) Longitud del conector Lc (mm) Longitud del conector Lc (mm) Lc=75mm lc=50mm Lc=100mm Lc=125mm f'c=22.32mpa f'c=39.54mpa Lámina de 3" Lámina de 2" Carga vs. Deslizamiento canales f c=22.32 y altura de lámina de 2 pulgadas Longitud de canal para diferentes f c en láminas de 2 pulgadas y canales C3x4.1 Efecto de la longitud del canal y altura del tablero metálico El comportamiento de las curvas es muy similar La capacidad de carga se incrementa al aumentar longitud La tasa de aumento de la resistencia del conector que depende de la longitud no parece lineal y depende de la resistencia a la compresión del concreto.

30 Carga por conector (KN) Carga por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Posición del conector en el valle del tablero ,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 0, Desplazamiento(mm) Posición del conector en el valle: 1-Débil 2-Medio 3-Fuerte Posición fuerte y débil de los conectores tipo canal sobre tableros metálicos Posición Débil Posición media Posición Fuerte Carga vs. Desl. En diferentes pos. del conector (D, M y F), Lc=50mm y f c=22.32mpa Cargado por el frente Cargado por espalda Efecto de la posición del conector en el valle del tablero (fuerte, medio y débil) El cambio de posición fuerte a débil representa una disminución del 50% en la resistencia Del 43% de posición media a débil Del 13% de fuerte a media Cambiando la forma de cargar el conector por la espalda se observa este mismo comportamiento.

31 Carga por conector (KN) Resistencia promedio de los conectores Qn (KN) Carga por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Altura del tablero y altura del conector sobre la cresta del tablero ,00 100, ,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20,00 10,00 90,00 80,00 70,00 60,00 50,00 40,00 30,00 20, Desplazamiento(mm) C4x5.4 / hr=2" C4x5.1 / hr=3" C3x4.1 / hr=2" 0, Longitudes de conector Lc (mm) Hr=50mm Hr=75mm 10,00 0,00 1,33 1,50 2 Relación Altura del canal / Altura de la lámina Carga vs. Deslizamiento para longitudes de conector L=50mm y f c=22.32mpa Qn vs. Longitudes de conector Lc para láminas de 2 y 3 pulgadas Carga promedio de resistencia vs. Relación Altura del canal / Altura de la lámina Los conectores de menor altura exhiben comportamiento flexible, debido al menor espesor del alma. Los tableros de 3 con conectores C4x5.4 incrementan en 3% comparado con lámina de 2 con C3x4.1. Al incrementar la altura del conector a 2 sobre la cresta del tablero se incrementa la capacidad resistente en 80%.

32 Carga por conector (KN) Carga por conector (KN) Carga por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Forma de cargar el conector (frente o espalda) Desplazamiento(mm) Desplazamiento(mm) Desplazamiento(mm) Cargado por la espalda Cargado por el frente Cargado por la espalda Cargado por el frente cargado por la espalda Cargado por el frente Carga vs. Deslizamiento posición Débil del conector Carga vs. Deslizamiento posición Media del conector Carga vs. Deslizamiento posición Fuerte del conector Incrementa la resistencia del conector al ser cargado por la espalda. Todas las fallas fueron controladas por la resistencia del concreto. Al cargar el conector por la espalda se presentan altas deformaciones al inicio y se incrementan al aumentar el deslizamiento. Los conectores cargados por el frente presentan mayor rigidez

33 Carga por conector (KN) Carga promedio por conector (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Orientación del tablero (perpendicular o paralelo al perfil viga) Lámina paralela Desplazamiento(mm) Lámina perpendicular Carga vs. Deslizamiento de probetas con lámina paralela y lámina normal a la viga para L c = 50mm y altura de lámina de 2 pulgadas El cambio de la ubicación de la lámina en sentido paralelo al eje de la viga implica un aumento de un 86% vs. Qn en posición media. Lo anterior debido a que el flujo de fuerza cortante que viaja a través de la losa llega directamente a toda la altura del conector y no sólo en su tramo superior. El efecto de concentración de esfuerzos que produce aplastamiento del concreto se disminuye. Adicionalmente el comportamiento del canal se muestra más rígido. 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 Pos. Débil Pos. Media Pos. Fuerte Paralela Q n vs. Sentido del deck. L c =50mm y distintas posicione del conector para lámina orientada en sentido perpendicular a la viga.

34 Carga total aplicada (KN) ESTUDIO PARAMÉTRICO Comportamiento de la carga de confinamiento Desplazamiento (mm) Carga a corte directo Carga de confinamiento Carga a corte directo y carga de confinamiento aplicado a la probeta P7 Conectores tipo varilla sin cabeza A medida que se aplicó carga al conector se aplicó carga de confinamiento para simular la aplicación de carga vertical. La carga aplicada variaba entre un 8% a un 20% del valor de la carga axial principal. Después de alcanzar aproximadamente el 80% de la carga principal no se siguió aplicando carga horizontal adicional. Se registraron aumentos de carga que indica que además de la carga a corte directo se presentan cargas de levantamiento al acercarse a la carga de falla. Por tanto, un conector además de tener alma debe tener cabeza.

35 EVALUACIÓN ECUACIONES DISPONIBLES 1. Ecuación NSR-10 Se usa comúnmente para laminas orientadas en sentido paralelo y normal 2. Ecuación Pashan Exclusiva para láminas en sentido paralelo 3. Ecuación Ramírez Exclusiva para lámina perpendicular al eje e la viga 4. Ecuación Huertas Para ambos casos

36 EVALUACIÓN ECUACIONES DISPONIBLES Tablero perpendicular al perfil Relación resistencia experimental / Resistencia de cada ecuación Resistencia experimental / Ecuación 1 Resistencia experimental / Ecuación 2 Resistencia experimental / Ecuación 3 Resistencia experimental / Ecuación 4 Max. Ensayo / Ecuació n Max. Ensayo / Ecuación 2 N.A. Max. Ensayo / Ecuación Max. Ensayo / Ecuación Min. Ensayo / Ecuació n Min. Ensayo / Ecuación 2 N.A. Min. Ensayo / Ecuación Min. Ensayo / Ecuación Promedi o Promedio N.A. Promedio Promedio Desv. Estándar Desv. Estándar N.A. Desv. Estándar Desv. Estándar 0.309

37 EVALUACIÓN ECUACIONES DISPONIBLES Tablero paralelo al perfil Relación resistencia experimental / Resistencia de cada ecuación Resistencia experimental / Ecuación 1 Resistencia experimental / Ecuación 2 Resistencia experimental / Ecuación 3 Resistencia experimental / Ecuación 4 Max. Ensayo / Ecuación Max. Ensayo / Ecuación Max. Ensayo / Ecuación 3 N.A. Max. Ensayo / Ecuación Min. Ensayo / Ecuación Min. Ensayo / Ecuación Min. Ensayo / Ecuación 3 N.A. Min. Ensayo / Ecuación Promedio Promedio Promedio N.A. Promedio Desv. Estándar Desv. Estándar Desv. Estándar N.A. Desv. Estándar 0.617

38 FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO Ecuación general Condición F 1 F 2 F p Tablero metálico orientado paralelamente a la viga de acero L c W r h r L c 0.80 Tablero metálico orientado perpendicularmente a la viga de acero 32.8 W r h r 0.2 L c 12.9 t f + t w + 0.9L c 0.50 Para conectores en posición débil 0.80 Para conectores en posición fuerte

39 FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO Q n = Resistencia del conector en N f c = Resistencia del concreto en MPa L c = Longitud del conector en mm F p = 0.8 Para conectores en láminas en sentido paralelo al eje de la viga 0.8 Para conectores ubicados en la posición fuerte del valle 0.5 Para conectores ubicados en la posición débil del valle W r = Ancho promedio del tablero metálico en mm h r = Altura del tablero metálico en mm t f = Espesor de aleta del conector en canal en mm t w = Espesor del alma del conector en canal en mm

40 FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO Tabulación de los resultados de la ecuación RESISTENCIA CONECTORES DE CORTANTE TIPO CANAL Q n en KN Orientación de la lámina Paralelo a la viga Perpendicular a la viga (Posición débil del conector) Perpendicular a la viga (Posición fuerte del conector) Longitud del canal Lc Láminas de 2" - Conector C3x4.1 f'c = 21 Mpa f'c = 28 Mpa f'c = 35 Mpa Láminas de 3" - Conector C4x5.4 f'c = 21 Mpa f'c = 28 Mpa f'c = 35 Mpa

41 CONCLUSIONES Se identificaron 6 mecanismos de falla de los conectores tipo canal. La capacidad de carga se incrementa con el aumento de la longitud del canal pero disminuye a medida que la resistencia del concreto es mayor. La posición del conector de cortante en el valle del tablero metálico es una de las variables más importantes que definen el comportamiento de los conectores tipo canal en tableros metálicos. El cambio de altura de las láminas no implica un mayor cambio en la resistencia y comportamiento del conector. Uno de los parámetros más importantes encontrados en el comportamiento es la altura que sobre sale el canal por encima del tablero metálico. Se observó una mejoría en la resistencia del canal al cambiar la forma por la cual es cargado el conector.

42 CONCLUSIONES Al cambiar la orientación de la lámina se obtienen resultados de resistencias mayores a las láminas ubicadas en sentido perpendicular a la viga. La actual ecuación del reglamento NSR-10 para losa maciza que se ha usado indiscriminadamente para el diseño de conectores tipo canal para tableros metálicos presenta valores por encima de las resistencias experimentales, además de una gran variabilidad. Se plantea una ecuación general que integra el planteamiento de dos ecuaciones de acuerdo con la orientación del tablero respecto al perfil Para la correcta aplicación de la ecuación propuesta se debe instalar conectores en cada valle del tablero metálico. Teniendo en consideración la mayor resistencia de conectores cargados por la espalda y en posición fuerte es recomendable la instalación de los mismos en esta posición.

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