Aviso técnico y de seguridad importante: Este es un texto educativo de archivo, no un diseño estructural, cálculo estático, norma aplicable, detalle de juntas o instrucciones para construcción, soldadura, hormigonado, apuntalamiento, pretensado o rehabilitación. Todas las fórmulas, marcas, dimensiones, materiales, procedimientos y reclamaciones originales se transfieren sin verificación de acuerdo con las regulaciones actuales. El diseño y ejecución de estructuras acopladas acero-hormigón corresponde exclusivamente a ingenieros civiles autorizados, proyectistas estructurales, contratistas y supervisión en función del objeto específico, carga, suelo, material y normas aplicables.
Las construcciones conectadas no son un servicio especial en la oferta pública actual de Savo Kusić. El enfoque actual es ventanas de madera, ventanas de madera y aluminio y puertas personalizadas. Para un proyecto de ventana o puerta, puede enviar solicitud de cotización.
Introducción
En algunas construcciones se utilizan losas de hormigón armado sobre soportes de acero, como losas de pavimento de puentes sobre vigas en I longitudinales y transversales o techos en edificios sobre vigas en I. Anteriormente, estos sistemas se dimensionaban bajo el supuesto de que estos dos elementos podían moverse entre sí y que los momentos en la dirección del vano principal eran recibidos únicamente por soportes de acero. La losa de hormigón transfirió la carga a las vigas de acero, pero no participó en la recepción de los valores estáticos correspondientes (fig. 1).
Figura 1 — Portador acoplado, sistema
Para este método de construcción, se prevén juntas transversales en la losa de hormigón a intervalos regulares, para permitir la contracción del hormigón armado y evitar grietas no deseadas, es decir, tensiones suplementarias. Sin embargo, la experiencia ha demostrado que las fuerzas reales en un sistema de este tipo son significativamente diferentes de las calculadas. En el contacto entre la losa de hormigón armado y el soporte de acero se produce una gran fricción (tensión de adherencia), de modo que ambos elementos siempre cooperan.
La desventaja del efecto de acoplamiento inesperado es la aparición de un efecto de muesca en las juntas de la losa de hormigón. Las tensiones cortantes a lo largo de la superficie del pilar aumentan bruscamente cerca de la articulación, de forma similar a las tensiones cortantes en los extremos de las costuras laterales. Dado que la posición de la línea cero en la junta prácticamente no cambia, las tensiones normales en el soporte de acero pueden ser significativamente mayores que las calculadas para un acoplamiento uniforme. A partir de esta muesca puede producirse una masterización de la adherencia que se extiende aún más. Por tanto, las juntas en la losa del pavimento no cumplen su función y no son efectivas.
Soportes acoplados
En el caso de apoyos acoplados, se supone que las fuerzas de corte en la superficie de contacto entre el soporte de acero y la losa de hormigón se pueden transmitir de forma segura (fuerzas en las vigas). La regla es que la losa de hormigón se apoye directamente sobre la cinta superior del soporte de acero y que no haya movimientos relativos. En este caso, llamado con acoplamiento rígido, se utilizan medios de conexión especiales (husillos, estribos, anclajes) que se integran en el hormigón.
Observaremos el caso de una viga acoplada con una losa de hormigón sin juntas transversales. Si una determinada carga (p. ej. momento flector) actúa sólo durante un breve periodo de tiempo, se producen las correspondientes tensiones y deformaciones Δσ, resp. Δε según la ciencia elemental de la resistencia, similar al hormigón armado. Las tensiones en acero y hormigón, con un cierto alargamiento, están en relación con su módulo de elasticidad: σst/σb = Est/Eb = n. Si la carga es prolongada, se producen deformaciones del hormigón debido a la contracción y al flujo. Si con ε0 = σ/E0 marcamos la deformación por carga de corta duración en el momento t = 0, entonces la deformación aumenta bajo carga permanente por fricción hasta el momento t al valor εt = ε0 (t + φt). En las mismas condiciones, las deformaciones de fluencia se calculan como si fueran proporcionales a las tensiones. Por eso se dice que la ley de Hooke se aplica a las deformaciones debidas al flujo. El coeficiente de flujo φt depende del tiempo, clase de hormigón, temperatura exterior, humedad del aire, momento de carga del elemento, etc.
En lugar de doblarse según Bernoulli\ y Navier, aparecen relaciones diferenciales, es decir, la distribución de tensiones debe determinarse a partir de la ecuación diferencial para el flujo. Como resultado del flujo, las tensiones en el hormigón disminuyen, mientras que las tensiones en el acero aumentan. Estos cambios de tensión dependen, además de las dimensiones de la sección transversal, de las dimensiones elásticas y del momento de carga. Consecuencias similares a las del flujo ocurren por la contracción del hormigón. La cantidad de medidas de contracción εs depende del hormigón, del método de producción y de las condiciones climáticas. La contracción del hormigón no depende de la carga aplicada al elemento.
Acoplamientos
Los medios de acoplamiento deben transferir de forma segura todas las fuerzas de corte en las superficies de hormigón y acero en contacto, debido a las cargas que se producen, y así evitar el deslizamiento. Además, deben recibir las fuerzas de tensado principales oblicuas, si debido a su tamaño la propia sección de hormigón no puede recibirlas. La magnitud de las fuerzas se determina según la teoría elemental de flexión. Se consideran medios de acoplamiento los siguientes:
- Anclajes de acoplamiento: Son placas de hierro redondas o planas, soldadas a la correa superior del soporte de acero, que actúan de manera similar al refuerzo doblado de vigas de hormigón armado. Se fabrican a modo de ganchos o estribos, en diagonal o en vertical. Estos anclajes sólo actúan en una dirección y no son efectivos si la fuerza cortante cambia de signo.
- Ménsulas: Se fijan a la superficie superior del soporte de acero, pueden recibir fuerzas de corte en ambas direcciones. En la dirección de la fuerza de corte hay que distinguir entre cerebros blandos y rígidos. Las células cerebrales blandas sufren deformaciones importantes y distribuyen de manera desigual las fuerzas de corte sobre su superficie. Los cerebros rígidos dan una mejor distribución de fuerzas con deformaciones más pequeñas.
Imagen 2 — Puente sobre el río Ruhr cerca de Herdecke
- Armadura en espiral: Se apoya sobre un soporte de acero y se suelda en los puntos de contacto. Las espirales no son adecuadas para fuerzas de acoplamiento importantes. Lo mismo ocurre con el acero redondo ondulado. Como ejemplo de medios para acoplamiento sobre puentes, en la fig. 2 se muestran las vigas del puente sobre el Ruhr cerca de Herdecka (vigas 60x40 con estribos verticales ϕ12, que están soldados a las propias vigas para evitar más muescas debido a la soldadura); en la figura. 3 Para unir las vigas transversales de un puente se utilizaron, dependiendo de la magnitud de la fuerza transversal, estribos soldados lateralmente para las vigas, así como estribos soldados directamente para la cinta superior con vigas especiales. En el caso de estribos largos, los estribos también se pueden soldar en lados opuestos, fig. 4a. En la figura. 4b es la solución que se muestra con estribos inclinados.
Figura 3 — Soporte transversal de un puente
Imagen 4 — Cerebros con estribos
En la construcción de edificios también se utilizan estribos rígidos con estribos o simplemente estribos, pero también se encuentran soluciones con estribos blandos, como p.e. esquinas remachadas. Por razones económicas, se utilizan más a menudo anclajes de acoplamiento, que se sueldan a tope a un soporte de acero (fig. 5a), o descansan sobre el soporte con un extremo doblado (fig. 5b). En la figura. 5c muestra la solución correspondiente con ganchos desplazados. En la figura. 6 muestra una solución normal para soportes de techo en la construcción de edificios, concretamente a) un soporte acoplado hecho de vigas en I, b) hecho de vigas en T, que se crea cortando las vigas en I. En los extremos de los soportes siempre se deben prever tirantes especialmente fuertes (fig. 7). Los anclajes inclinados se utilizan para introducir tensiones por contracción y temperatura en la losa.
Imagen 5 — Anclajes de acoplamiento
Imagen 6 — Soporte de estructura de entrepiso
El dimensionamiento de los medios de acoplamiento se realiza según principios elementales. Los medios individuales deben recibir una fuerza cortante correspondiente a su espaciamiento. Al dimensionar la conexión soldada del tronco del encéfalo se debe tener en cuenta el momento de vuelco.
Imagen 7 — a) Cerebro final con anclaje; b) anclaje
Acoplamiento elástico
Las presentaciones anteriores estuvieron relacionadas con acoplamiento rígido, donde el desplazamiento relativo entre el soporte de acero y la placa es igual a cero, y los medios de acoplamiento actúan de manera continua. Se desprecia la deformación de los medios de acoplamiento, la deformación local del hormigón y del soporte de acero.
Imagen 8 — Soporte con acoplamiento elástico
Bajo el supuesto de acoplamiento rígido, las fuerzas transmitidas por los medios de acoplamiento individuales son proporcionales a la fuerza transversal y la distancia del cerebro. Si en determinadas zonas se producen importantes movimientos relativos entre el soporte de acero y la losa de hormigón, se produce una notable reagrupación de fuerzas. El hormigón puede dejar parcialmente de actuar como placa de presión de una viga acoplada, con lo que los valores máximos de las fuerzas cortantes se reducen significativamente. En la figura. 8 es un ejemplo de estructura con acoplamiento elástico, similar al puente sobre el Rin, Colonia-Rodenkirchen. En la figura. 9 muestra el efecto del acoplamiento elástico en un soporte continuo, para una fuerza concentrada y una carga completamente distribuida uniformemente. El desplazamiento ψ, que es una medida de la rigidez del acoplamiento para recibir corte, se define en la fig. 8. Por lo tanto, la influencia del acoplamiento elástico es muy grande si las propiedades del acoplamiento se eligen deliberadamente para recibir corte.
Figura 9 — Ejemplo de un puente con acoplamiento elástico
Cálculo de estructuras acopladas
En principio, resulta económico que el espesor de la losa de hormigón sea el menor posible, respetando los espesores mínimos que marca la normativa.
Construcciones determinadas estáticamente
Para construcciones estáticamente determinadas (por ejemplo, vigas simples), las influencias estáticas en la sección común para una carga determinada son constantes, respectivamente. independiente del tiempo. Sólo los momentos flectores y las fuerzas normales en determinadas partes de la sección son variables por efecto del flujo y la contracción.
El efecto de la contracción se puede representar como una diferencia de temperatura correspondiente entre el soporte de acero y la losa de hormigón. Como resultado de la contracción del hormigón, en la sección acoplada aparecen tensiones internas, es decir, tensiones de tracción por contracción en el hormigón, cuya contracción se evita por la influencia del soporte de acero (así como del propio refuerzo), mientras que en la sección de acero se producen las correspondientes tensiones de compresión (fig. 10). La contracción aumenta con el tiempo hasta un valor final según una única función exponencial. Dado que las tensiones de contracción también aumentan con las deformaciones por contracción, esto da como resultado el llamado flujo de contracción.
Figura 10 — a) Contracción de la placa libre sin acoplamiento; b) tensiones por contracción en soportes acoplados
Dependiendo del sistema estático que asume el peso propio de la losa de concreto, existe una diferencia: acoplamiento solo para la carga en movimiento (el peso propio lo asume solo el soporte de acero, y el sistema acoplado recibe solo las cargas que actúan sobre la estructura terminada), acoplamiento para el peso propio y la carga en movimiento (todo el peso propio y la carga en movimiento actúan sobre el sistema acoplado).
El primer caso ocurre cuando las vigas de acero sirven como soportes del encofrado, sin estar apoyadas, y durante el hormigonado pueden doblarse en el campo (fig. 11a). En este caso, el propio soporte de acero soporta el peso del hormigón y del encofrado. La unión se produce sólo cuando el hormigón es lo suficientemente duro (fig. 11b), por lo que el soporte no debe cargarse inmediatamente después del hormigonado, para evitar daños o flujo excesivo del hormigón.
En el segundo caso, cuando el sistema acoplado también recibe el peso propio de la losa de hormigón (fig. 11c), se supone que el soporte de acero está soportado durante el hormigonado en lugares suficientes para que no reciba momentos de flexión significativos. La distribución de voltaje después de retirar el andamio se muestra en la fig. 11d.
Figura 11 — Acoplamiento para carga móvil y muerta, con distribuciones de voltaje antes y después de retirar el andamio
Precarga
En el caso de vigas simples, en el hormigón se producen tensiones de tracción menores únicamente debido a la contracción y la diferencia de temperatura. Se producen importantes tensiones de tracción en vigas salientes, vigas continuas y otras estructuras, que pueden provocar grietas en el hormigón. Si aparecen grietas en la zona de los momentos negativos, se pierde el efecto de acoplamiento. Por lo tanto, es útil inducir de antemano pequeñas tensiones de compresión en la losa de hormigón para evitar de forma segura la formación de grietas debido a la contracción del hormigón. Se pueden reducir las tensiones de tracción en la losa de hormigón de vigas acopladas:
1. Mediante la correspondiente precarga negativa de la viga de acero (pretensión del borde superior). La secuencia de hormigonado debe estudiarse cuidadosamente.
2. Subiendo y bajando los soportes medios de los soportes continuos. por lo que con el procedimiento adecuado se pueden provocar tensiones de compresión en la losa de hormigón del soporte acoplado.
3. Mediante pretensado. El caso más sencillo es cuando se pretensa una losa de hormigón libre y sólo después se conecta a un soporte de acero. La ventaja de este procedimiento es una fuerza de pretensado relativamente pequeña, ya que la correa comprimida del soporte de acero no está pretensada. Esta viga recibe momentos flectores únicamente debido al flujo y retracción de la losa de concreto, por lo que se mantiene recta debido a la fuerza de pretensado. En la figura. 12a muestra la distribución de tensiones para este caso de pretensado (t=0), y en la fig. 12b estado final al final del flujo (t=tE) y en la fig. 12c tensiones de flexión debidas a cargas de momento a corto plazo (t=a). En la figura. 12d muestra la distribución de tensiones para t=0 en el caso de pretensado de la losa de hormigón adherida.
Figura 12 — Pretensado de una losa de hormigón autoportante con acoplamiento posterior
Construcciones estáticamente indeterminadas
Las vigas continuas y estructuras similares reciben momentos flectores negativos, lo que a menudo provoca altas tensiones de tracción en la losa de hormigón armado. Las grietas son indeseables, especialmente en puentes, considerando la vida útil de las vigas acopladas y el efecto de las muescas en las grietas. Los sistemas estáticamente indeterminados se calculan para cargas de corta duración (cargas en movimiento) según los métodos habituales de estática para un sistema sin cambios. Las cantidades estáticas y deformaciones correspondientes son las mismas que en un sistema idealmente elástico. Bajo el efecto de una carga constante, especialmente un pretensado alto, siempre se produce un gran flujo. Al determinar la fuerza de pretensado se debe tener en cuenta la fricción de los elementos de pretensado doblados. Durante la construcción, se debe seleccionar cuidadosamente el voladizo de los puentes acoplados. Los soportes acoplados prefabricados son muy rígidos, por lo que es casi imposible realizar correcciones posteriores en la posición de altura. El nivel final se alcanza sólo después de varios años, considerando el flujo. Esa nivelación es incierta hasta cierto punto, ya que los efectos de la contracción y el flujo son variables, dependiendo de las condiciones climáticas que no se pueden predecir.
Conclusión
La aplicación del acoplamiento no se limita a vigas de chapa, sino que también puede incluir soportes para reforzar vigas Langer, puentes colgantes, etc., así como vigas de celosía con calzada hacia arriba o hacia abajo. Puentes de celosía: en las losas de la carretera cercanas a la calzada de abajo se producen altas tensiones de tracción, ya que estas losas tienen que seguir en mayor o menor medida el alargamiento de la correa tensada de la viga principal. Se requiere un pretensado longitudinal adecuado para evitar grietas. En la figura. 13 es un caso límite en el que la rejilla de acero ya no tiene una cinta inferior y su papel es asumido completamente por una losa de hormigón armado pretensado en ambas direcciones. En la figura. 13b se pueden ver los canales de sección transversal 60x180 mm en el propio soporte.
Imagen 13 — Puente Gahle: a) sección; b) cruce del cinturón inferior, a la izquierda en la estación principal, a la derecha en Vešaljka