Aviso técnico e de seguridade importante: Este é un texto educativo de arquivo, non un deseño estrutural, cálculo estático, norma aplicable, detalle de unión ou instrución para construción, soldadura, formigonado, apuntalamento, pretensado ou rehabilitación. Todas as fórmulas orixinais, marcas, dimensións, materiais, procedementos e reclamacións transfírense sen verificación segundo a normativa actual. O deseño e execución de estruturas acopladas aceiro-formigón correspóndelles exclusivamente aos enxeñeiros civils, proxectistas estruturais, contratistas e supervisión en función do obxecto específico, carga, solo, material e normas aplicables.
As construcións conectadas non son un servizo especial na oferta pública actual de Savo Kusić. O foco actual é ventás de madeira, ventás de madeira e aluminio e portas personalizadas. Para un proxecto de fiestra ou porta, pode enviar solicitude de cotización.
Introdución
Nalgunhas construcións utilízanse lousas de formigón armado sobre apoios de aceiro, como placas de pavimento de pontes en vigas lonxitudinais e transversais en I ou teitos en edificios sobre vigas en I. Anteriormente, tales sistemas dimensionábanse baixo o suposto de que estes dous elementos podían moverse entre si e que os momentos na dirección do van principal eran recibidos só por soportes de aceiro. A lousa de formigón transferiu a carga ás vigas de aceiro, pero non participou na recepción dos valores estáticos correspondentes (fig.1).
Imaxe 1 — Soporte acoplado, sistema
Para este método de construción prevese xuntas transversais na lousa de formigón a intervalos regulares, co fin de posibilitar a contracción do formigón armado e evitar gretas indesexables, é dicir, esforzos suplementarios. Non obstante, a experiencia demostrou que as forzas reais nun sistema deste tipo son significativamente diferentes das calculadas. No contacto entre o forxado de formigón armado e o soporte de aceiro prodúcese un gran rozamento (esfuerzo de adhesión), polo que ambos elementos cooperan sempre.
A desvantaxe do efecto de acoplamento imprevisto é a aparición dun efecto de muesca nas unións da lousa de formigón. Os esforzos cortantes ao longo da superficie do estribo aumentan bruscamente preto da unión, de xeito similar aos esforzos cortantes nos extremos das costuras laterais. Dado que a posición da liña cero na unión practicamente non cambia, as tensións normais no soporte de aceiro poden ser significativamente superiores ás calculadas para o acoplamento uniforme. A partir desta muesca, pódese producir un dominio da adhesión que se estende aínda máis. Polo tanto, as unións na lousa do pavimento non cumpren a súa función e non son eficaces.
Portadores acoplados
No caso de apoios acoplados, suponse que as forzas cortantes na superficie de contacto entre o soporte de aceiro e a lousa de formigón poden transmitirse con seguridade (forzas nas vigas). A regra é que a lousa de formigón descanse directamente sobre a cinta superior do soporte de aceiro e que non haxa movementos relativos. Neste chamado Con acoplamento ríxido, utilízanse medios especiais de conexión (barras, estribos, ancoraxes), que se encaixan no formigón.
Consideraremos o caso dunha viga acoplada con forxado de formigón sen xuntas transversais. Se unha determinada carga (p. ex. momento flector) actúa só durante un tempo curto, os esforzos e deformacións correspondentes Δσ, resp. Δε segundo a ciencia da resistencia elemental, semellante ao formigón armado. Os esforzos en aceiro e formigón, a certo alongamento, sitúanse en relación co seu módulo de elasticidade: σst/σb = Est/Eb = n. Se a carga é a longo prazo, prodúcense deformacións do formigón debido á contracción e ao caudal. Se con ε0= σ/E0 marca a deformación por carga a curto prazo no momento t =0, a deformación aumenta baixo carga permanente debido ao rozamento ata o momento t ata o valor εt = ε0(t + φt). Nas mesmas condicións, as deformacións de fluencia calcúlanse coma se fosen proporcionais aos esforzos. Por iso se di que a lei de Hooke aplícase ás deformacións debidas ao fluxo. O coeficiente de caudal φt depende do tempo, clase de formigón, temperatura exterior, humidade do aire, momento de carga do elemento, etc.
En lugar de flexionar segundo Bernoulli\ e Navier, aparecen relacións diferenciais, é dicir, a distribución de esforzos debe determinarse a partir da ecuación diferencial do fluxo. Como resultado do fluxo, as tensións no formigón diminúen, mentres que as tensións no aceiro aumentan. Estes cambios de tensión dependen, ademais das dimensións da sección transversal, das dimensións elásticas e do momento de carga. Consecuencias similares ás do fluxo ocorren pola contracción do formigón. A cantidade de medidas de contracción εs depende do formigón, do método de produción e das condicións climáticas. A contracción do formigón non depende da carga aplicada ao elemento.
Medios de acoplamento
Os medios de acoplamento deben transferir con seguridade todas as forzas de cizallamento nas superficies de formigón e aceiro en contacto, debido ás cargas que se producen, e evitar así o deslizamento. Ademais, deberían recibir as forzas de tensión principais oblicuas, se debido ao seu tamaño, a propia sección de formigón non as pode recibir. O tamaño das forzas determínase segundo a teoría elemental de flexión. Considéranse os seguintes axentes de acoplamento:
- Ancoraxes de acoplamento: Son placas de ferro redondas ou planas, soldadas á correa superior do soporte de aceiro, que actúan de xeito similar ao reforzo dobrado das vigas de formigón armado. Fanse como ganchos ou estribos, en diagonal ou en vertical. Estes ancoraxes só actúan nunha dirección e non son efectivos se a forza cortante cambia de signo.
- Soportes: están unidos á superficie superior do soporte de aceiro, poden recibir forzas cortantes en ambas direccións. Débese facer unha distinción entre cerebros brandos e ríxidos na dirección da forza de cizallamento. As células cerebrais brandas sofren deformacións importantes e distribúen de forma desigual as forzas de cizallamento sobre a súa superficie. Os cerebros ríxidos dan unha mellor distribución das forzas a deformacións máis pequenas.
Imaxe 2 — Ponte sobre o río Ruhr preto de Herdecke
- Reforzo en espiral: descansa sobre un soporte de aceiro e está soldado nos puntos de contacto. As espirais non son adecuadas para forzas de acoplamento significativas. O mesmo ocorre co aceiro redondo ondulado. Como exemplo de medios de acoplamento en pontes, na fig. 2 móstranse as vigas da ponte sobre o Ruhr preto de Herdecka (vigas 60x40 con estribos verticais ϕ12, que evitan soldar as mesmas, por orde de soldadura). na fig. 3 medios para conectar as vigas transversais dunha ponte, dependendo do tamaño da forza transversal, aplicáronse estribos soldados lateralmente para as vigas, así como estribos soldados directamente para o cinto superior con vigas especiais. No caso de estribos longos, os estribos tamén se poden soldar por lados opostos, fig. 4a. Na fig. 4b é a solución mostrada con estribos inclinados.
Figura 3 — Soporte transversal dunha ponte
Imaxe 4 — Cerebros con estribos
Na construción de edificios tamén se utilizan estribos ríxidos con estribos ou só estribos, pero tamén se atopan solucións con estribos brandos, como p. cantos remachados. Por razóns económicas, utilízanse con máis frecuencia áncoras de acoplamento, que se sueldan a tope a un soporte de aceiro (fig. 5a), ou descansan sobre o soporte cun extremo dobrado (fig. 5b). Na fig. 5c mostra a solución correspondente con ganchos desprazados. Na fig. 6 mostra unha solución normal para soportes de teito na construción de edificios, é dicir, a) un soporte acoplado feito de vigas en I, b) feito de vigas en T, que se crea cortando as vigas en I. Nos extremos dos soportes débense dispor sempre tirantes extremadamente resistentes (fig. 7). As ancoraxes inclinadas utilízanse para introducir esforzos derivados da contracción e da temperatura na lousa.
Imaxe5- Anclaxes de acoplamento
Imaxe6— Soporte da estrutura de entreplanta
O dimensionamento dos medios de acoplamento realízase segundo principios elementais. Os medios individuais deben recibir unha forza cortante correspondente á súa separación. Ao dimensionar a conexión soldada do cerebro, debe terse en conta o momento de envorco.
Imaxe7— a) Remate cerebro con ancoraxe; b) ancoraxe
Acoplamento elástico
As presentacións anteriores referíronse ao acoplamento ríxido, onde o desprazamento relativo entre o soporte de aceiro e a placa é igual a cero, e os medios de acoplamento actúan continuamente. Desatendeuse a deformación dos medios de acoplamento, a deformación local do formigón e do soporte de aceiro.
Imaxe8— Soporte con acoplamiento elástico
Baixo o suposto de acoplamento ríxido, as forzas transmitidas por medios individuais de acoplamento son proporcionais á forza transversal e ao espazamento do cerebro. Se en determinadas zonas se producen movementos relativos significativos entre o soporte de aceiro e a lousa de formigón, isto provoca un notable reagrupamento de forzas. O formigón pode deixar de actuar parcialmente como placa de presión dunha viga acoplada, polo que se reducen significativamente os valores máximos das forzas cortantes. Na fig.8dáse un exemplo de construción cun acoplamento elástico, semellante á ponte sobre o Rin, Koln-Rodenkirchen. Na fig.9móstrase o efecto do acoplamento elástico nun apoio continuo, para unha forza concentrada e unha carga totalmente distribuída uniformemente. O desprazamento ψ, que é unha medida da rixidez do acoplamento para recibir o corte, defínese na fig.8. A influencia do acoplamento elástico é, polo tanto, moi grande, se as características do acoplamento son escollidas a propósito para recibir cizallamento.
Imaxe9— Exemplo de ponte con acoplamento elástico
Cálculo de construcións acopladas
En principio, é económico que o grosor da lousa de formigón sexa o menor posible, mentres que se cumpran os espesores mínimos que determine a normativa.
Estruturas determinadas estáticamente
No caso de construcións determinadas estáticamente (p. ex. vigas simples), as influencias estáticas na sección común para unha determinada carga son constantes, ou independentes do tempo. Só os momentos de flexión e as forzas normais en determinadas partes da sección son variables debido aos efectos do fluxo e a contracción.
O efecto da contracción pode representarse como unha diferenza de temperatura correspondente entre a viga de aceiro e a lousa de formigón. Como resultado da contracción do formigón, aparecen esforzos internos na sección acoplada, é dicir, esforzos de tracción derivados da contracción no formigón, cuxa contracción se impide pola influencia do soporte de aceiro (así como da propia armadura), mentres que na sección de aceiro se producen os esforzos de compresión correspondentes (Fig.10). A contracción aumenta co tempo ata un valor final segundo unha única función exponencial. Dado que os esforzos de contracción tamén aumentan coas deformacións por contracción, isto dá lugar ao chamado fluxo de contracción.
Imaxe10— a) Encollemento da placa libre sen acoplamento; b) Tensións por contracción en soportes acoplados
Dependendo do sistema estático que asume o peso propio da lousa de formigón, difire: acoplamento só para a carga móbil (só o soporte de aceiro toma o seu propio peso, e o sistema acoplado recibe só as cargas que actúan sobre a estrutura acabada), acoplamento para o propio peso e a carga móbil (todo o propio peso e a carga móbil actúan sobre o sistema acoplado).
O primeiro caso dáse cando as vigas de aceiro serven como vigas de encofrado, sen estar apoiadas, e durante o formigonado poden dobrarse no campo (fig.11a). Neste caso, o propio soporte de aceiro toma o peso do formigón e do encofrado. A unión ocorre só cando o formigón é o suficientemente duro (Fig.11b), e non se debe cargar o soporte inmediatamente despois do formigonado, para evitar danos ou caudal excesivo de formigón.
No segundo caso, cando o autopeso da lousa de formigón tamén é recibido polo sistema acoplado (fig. 11c), suponse que o soporte de aceiro está apoiado durante o formigonado en lugares suficientes, para que non reciba momentos de flexión significativos. Na fig. 11d.
Figura 11 — Acoplamento para carga móbil e muerta, con distribucións de tensión antes e despois de retirar a estada
Precarga
No caso de vigas simples, no formigón ocorren menores esforzos de tracción só debido á contracción e á diferenza de temperatura. En vigas en saliente, vigas continuas e outras estruturas prodúcense esforzos de tracción substanciais, que poden provocar gretas no formigón. Se aparecen gretas na zona dos momentos negativos, o efecto de acoplamento pérdese. Polo tanto, é útil inducir con antelación pequenos esforzos de compresión na lousa de formigón para evitar con seguridade a formación de fendas debido á contracción do formigón. Os esforzos de tracción na lousa de formigón de vigas acopladas pódense reducir:
1. Mediante a correspondente precarga negativa da viga de aceiro (pretensado do bordo superior). Ao mesmo tempo, a secuencia de formigonado debe estudarse coidadosamente.
2. Subindo e baixando os apoios medios dos apoios continuos. polo que, co procedemento axeitado, poden producirse esforzos de compresión no forxado de formigón do apoio acoplado.
3. Por pretensado. O caso máis sinxelo é cando se pretensa unha lousa de formigón libre, e só se conecta posteriormente a un soporte de aceiro. A vantaxe deste procedemento é unha forza de pretensado relativamente pequena, xa que a cinta comprimida do soporte de aceiro non está pretensada. Esta viga recibe momentos de flexión só polo fluxo e a contracción do forxado de formigón, polo que permanece recta debido á forza de pretensado. Na fig.12e móstrase a distribución de tensión para este caso de pretensado (t=0), e na fig.12b estado final ao final do caudal (t=tE) e na fig.12c Esforzos de flexión debidos a carga de momento a curto prazo (t=a). Na fig.12d mostra a distribución de tensión para t=0 no caso de pretensado do forxado de formigón ligado.
Imaxe12— Pretensado dun forxado de formigón independente con acoplamento posterior
Construcións estáticamente indeterminadas
As vigas continuas e estruturas similares reciben momentos de flexión negativos, que a miúdo provocan grandes esforzos de tracción na lousa de formigón armado. As gretas non son desexables, especialmente nas pontes, tendo en conta a vida útil das vigas acopladas e o efecto das muescas nas fendas. Os sistemas estáticamente indeterminados calcúlanse para cargas a curto prazo (cargas móbiles) segundo os métodos habituais de estática para un sistema inalterado. As cantidades estáticas e as deformacións correspondentes son as mesmas que nun sistema idealmente elástico. Baixo o efecto da carga constante, especialmente un alto pretensado, sempre se produce un gran caudal. Ao determinar a forza de pretensado, débese ter en conta a fricción dos elementos de pretensado dobrados. Durante a construción, o saliente das pontes acopladas debe seleccionarse coidadosamente. Os soportes acoplados xa preparados son moi ríxidos, polo que é case imposible realizar correccións posteriores da posición de altura. O nivel final só se alcanza despois de varios anos, tendo en conta o fluxo. Esa nivelación é incerta ata certo punto, xa que os efectos da contracción e do caudal son variables, dependendo de condicións climáticas que non se poden prever.
Conclusión
A aplicación do acoplamento non se limita ás vigas de chapa, senón que tamén pode incluír soportes para reforzo de vigas de Langer, pontes colgantes, etc., así como vigas de celosía con calzada cara arriba ou abaixo. Pontes de celosía: nas placas da calzada próximas á calzada abaixo prodúcense grandes esforzos de tracción, xa que estas lousas teñen que seguir en maior ou menor medida o alongamento da cinta tensada da viga principal. Requírese un pretensado lonxitudinal adecuado para evitar gretas. Na fig.13existe un caso límite no que a reixa de aceiro xa non ten correa inferior en absoluto, e o seu papel está totalmente asumido por unha lousa de formigón armado pretensado en ambos os sentidos. Na fig.13b son visibles as canles do tramo60x180mm no propio soporte.
Imaxe13— Ponte Gahle: a) sección; b) nó do cinto inferior, á esquerda na estación principal, á dereita en Vešaljka