Elementos compuestos - Estructuras Metálicas

CAPÍTULO 9 - ELEMENTOS
COMPUESTOS

Este Capítulo se aplica a columnas compuestas de perfiles laminados o armados, tubos y concreto estructural actuando conjuntamente, y a vigas de acero que soportan una losa de concreto armado conectada de forma que las vigas y la losa actúan en conjunto para resistir la flexión.
Se incluyen las vigas compuestas simples y continuas con conectores de corte y las vigas embebidas en concreto, construidas con o sin apuntalamiento temporal.

9.1. HIPÓTESIS DE DISEÑO
Determinación de Fuerzas. En la determinación de las fuerzas en elementos y conexiones de una estructura que incluye vigas compuestas, se deberá considerar las secciones efectivas en el momento en que se aplica cada incremento de cargas.
Análisis Elástico. Para un análisis elástico de vigas compuestas continuas sin extremos acartelados, es admisible asumir que la rigidez de la viga es uniforme a lo largo de su longitud. Se permite calcular la rigidez usando el momento de inercia de la sección compuesta transformada en la región de momento positivo.
Análisis Plástico. Cuando se usa análisis plástico la resistencia a la flexión de los elementos compuestos se determinará sobre la base de una distribución de esfuerzos en etapa plástica.
Distribución de Esfuerzos Plásticos en Regiones de Momento Positivo. Si la losa en la región de momento positivo esta conectada a la viga de acero con conectores de corte, se permite asumir una distribución uniforme de esfuerzos en el concreto de 0,85 f '_c a través de la zona efectiva de compresión. Se despreciara la resistencia del concreto en tracción. En la sección de acero estructural, se asumirá una distribución uniforme de esfuerzos en el acero de F_y a través de la zona de tracción y a través de la zona de compresión. La fuerza de tracción neta en la sección de acero será igual a fuerza de compresión en la
losa de concreto.
Distribución de Esfuerzos Plásticos en Regiones de Momento Negativo. Si la losa en la región de momento negativo esta conectada a la viga de acero con conectores de corte, se asumirá un esfuerzo de tracción de F_yr en todas las barras de refuerzo longitudinal adecuadamente desarrolladas dentro del ancho efectivo de la losa de concreto. Se despreciara la resistencia del concreto a la tracción. En la sección estructural de acero se asumirá una distribución uniforme de esfuerzos en el acero de F_y a través de la zona de tracción y a través de la zona de compresión. La fuerza de compresión neta en la sección de acero será igual a la fuerza de tracción total en el acero de refuerzo.
Distribución de Esfuerzos Elásticos. Cuando se necesite determinar la distribución de esfuerzos elásticos, las deformaciones en el acero y concreto se asumirán directamente proporcionales a sus distancias al eje neutro. Los esfuerzos serán iguales a las deformaciones multiplicadas por el módulo de elasticidad del acero, E, ó el modulo de elasticidad del concreto, E_c. Se despreciara la resistencia a la tracción del concreto. El máximo esfuerzo en el acero no excederá F_y. El máximo esfuerzo de compresión en el concreto no excederá 0,85 f ' _c siendo f ' _c la resistencia a la compresión especificada del concreto. En vigas compuestas híbridas, el esfuerzo máximo en las alas de acero no excederá F_yf pudiendo la deformación en el alma exceder la deformación de fluencia; el esfuerzo se tomara como F_yw en tal ubicación.
Vigas Totalmente Compuestas. Se proporcionaran conectores de corte en numero suficiente para desarrollar la máxima resistencia a la flexión de la viga compuesta. Para una distribución de esfuerzos elásticos se asumirá que no ocurre deslizamiento.
Vigas Parcialmente Compuestas. La resistencia al corte de los conectores determina la resistencia a la flexión de las vigas parcialmente compuestas. Los cálculos elásticos de deflexiones, fatiga y vibraciones incluirán el efecto de deslizamiento.
Vigas Embebidas en Concreto. Una viga totalmente embebida en concreto vaciado integralmente con la losa se puede asumir que esta interconectada con el concreto por adherencia natural sin anclaje adicional, siempre que:
(1) el recubrimiento de concreto sobre los lados de la viga y la cara inferior de las alas sea 50 mm; (2) la cara superior de la viga está por lo menos 40 mm debajo del borde superior de la losa y por lo menos 50 mm sobre la cara inferior de la losa; y, (3) el concreto que embebe la viga contiene una malla u otro refuerzo de acero para prevenir el despostillado del concreto.
Columnas Compuestas. Las columnas de acero fabricadas de perfiles laminados o armados, embebidas en concreto estructural, ó fabricadas de tubos de acero rellenos con concreto estructural se diseñaran en concordancia con la Sección 9.2.

9.2. ELEMENTOS EN COMPRESIÓN

9.2.1. Limitaciones
Para calificar como una columna compuesta, se debe cumplir con las siguientes limitaciones:
(1) El área de la sección del perfil de acero o tubo será por lo menos 4% del área total de la sección compuesta.
(2) El concreto que embebe el núcleo de acero será reforzado con barras longitudinales que tomen carga, barras longitudinales para restringir el concreto y estribos laterales. Las barras longitudinales que toman carga serán continuas a través de los niveles de las vigas, las barras longitudinales de restricción pueden interrumpirse en los niveles de las vigas. El espaciamiento de los estribos no será mayor a los 2/3 de la dimensión menor de la sección compuesta. El área del refuerzo transversal y longitudinal será por lo menos 180 mm² por metro de espaciamiento de barras.
El recubrimiento de concreto será por lo menos 40 mm para el refuerzo transversal y longitudinal.
(3) El concreto tendrá una resistencia especificada a la compresión f '_c no menor de 20 MPa ni mayor que 55 MPa para concreto normal y no menor que 27 MPa para concreto liviano.
(4) Para el cálculo de la resistencia de una columna compuesta, el esfuerzo de fluencia para el acero estructural y barras de refuerzo se limitará a 380 MPa.
(5) El espesor mínimo de pared de los tubos de acero estructural llenos con concreto será igual a por cada cara de ancho b en secciones rectangulares y para secciones circulares de diámetro exterior D.

9.2.2. Resistencia de Diseño
La resistencia de diseño de columnas compuestas cargadas axialmente en _cP_n,
Donde
_c= 0,85
P_n = resistencia nominal en compresión axial determinada de las Ecuaciones E2-1 a E2-4 con las siguientes modificaciones:

(1)
A_s = área total del perfil de acero o tubo (reemplaza a A_g).
r_m = radio de giro del perfil de acero o tubo, excepto que para perfiles de acero no será menor que 0,3 veces el espesor total de la sección compuesta
en el plano de pandeo (reemplaza a r).

(2) Reemplazar F_y con el esfuerzo de fluencia modificado F_my de la Ecuación 9.2-1 y reemplazar E con el módulo de elasticidad modificado E_m de la Ecuación 9.2-2.

F_my = F_y+c₁F_yr(A_r / A_s) + c₂f '_c (A_c / A_s) (9.2-1)
E_m = E + c₃E_c (A_c / A_s) (9.2-2)

Donde:
A_c = área de concreto.
A_r = área de barras de refuerzo longitudinal.
A_s = área de acero.
E = módulo de elasticidad del acero.
E_c = módulo de elasticidad del concreto. Se permite calcularlo (en MPa) de E_c = 0,041 w^1,5 donde w es el peso unitario del concreto en Kg /m³ y f '_c en MPa
F_y = esfuerzo de fluencia mínimo especificado en perfil de acero ó tubo.
F_yr = esfuerzo de fluencia mínimo especificado de las barras de refuerzo longitudinal.
f '_c = resistencia especificada en compresión del concreto.
c₁, c₂, c₃ = coeficientes numéricos.
Para tubos rellenos con concreto: c₁=1,0, c₂ =0,85 y c₃ =0,4;
Para perfiles embebidos en concreto: c₁ =0,7, c₂ =0,6 y c₃=0,2.

9.2.3. Columnas con Múltiples Perfiles de Acero
Si la sección recta compuesta incluye dos ó más perfiles de acero, los perfiles estarán interconectados con enlaces o planchas de conexión para prevenir el pandeo de los perfiles individuales antes del endurecimiento del concreto.

9.2.4. Transferencia de Carga
La porción de la resistencia de diseño de columnas cargadas axialmente resistida por el concreto será trasmitida por aplastamiento directo en las conexiones. Cuando el área del concreto de apoyo es más ancha que el área cargada en uno o más lados y además está restringida contra la expansión lateral de los lados restantes, la máxima resistencia de diseño del concreto será 1,7 _c f ' _c A_B , donde:
_c = 0,60
A_B = área cargada

9.3. ELEMENTOS EN FLEXIÓN

9.3.1. Ancho Efectivo
El ancho efectivo de la losa de concreto a cada lado del eje de la viga no será mayor que:
(a) un octavo de la luz de la viga, entre centros de apoyos.
(b) la mitad de la distancia entre ejes de vigas adyacentes; o,
(c) la distancia al borde de la losa.

9.3.2. Resistencia de Vigas con Conectores de Corte
La resistencia de diseño positiva en flexión _b M_n será determinada como sigue:
(a) Para:

_b = 0,85; M_n se determinará en base a una distribución plástica de esfuerzos sobre la sección compuesta.

(b) Para:

_b = 0,90; M_n se determinará en base a la superposición de esfuerzos elásticos considerando los efectos del apuntalamiento.
La resistencia de diseño negativa en flexión _b M_n será determinada para la sección de acero solamente, de acuerdo con los requerimientos del Capítulo 6.
Alternativamente, la resistencia de diseño negativa en flexión _b M_n será calculada con: _b = 0,85 y M_n determinado de una distribución plástica de esfuerzos sobre la sección compuesta, siempre que:
(1) La viga de acero sea una sección compacta adecuadamente arriostrada, tal como se define en la Sección B5.
(2) Los conectores de corte conecten la losa a la viga en la región de momento negativo.
(3) El refuerzo de la losa, paralelo a la viga de acero, dentro del ancho efectivo, tenga su longitud adecuado de desarrollo.

9.3.3. Resistencia de Vigas Embebidas en Concreto
La resistencia de diseño en flexión _bM_n será calculada con _b= 0,90 y M_n determinado superponiendo esfuerzos elásticos, considerando los efectos del apuntalamiento.
Alternativamente, la resistencia de diseño en flexión _bM_n será calculada con _b= 0,90 y M_n determinado en base a una distribución plástica de esfuerzos solamente sobre la sección de acero.

9.3.4. Resistencia Durante la Construcción
Cuando no se use apuntalamiento temporal, la sección de acero sola deberá tener una resistencia adecuada para soportar todas las cargas aplicadas antes que el concreto haya alcanzado el 75% de su resistencia especificada f ' _c . La resistencia de diseño en flexión de la sección de acero será determinada de acuerdo con los requerimientos de la Sección 6.1.

9.3.5. Tableros de Planchas Preformadas de Acero

9.3.5a. Generalidades
La resistencia de diseño a la flexión _b M_n de construcciones compuestas consistentes de losa de concreto sobre tableros preformados de acero conectados a vigas de acero será determinada por las partes aplicables de la Sección 9.3.2 con las siguientes modificaciones.
Esta Sección es aplicable a tableros con alturas nominales de nervios no mayores que 75 mm. El ancho promedio de concreto del nervio ó ensanche, r w no será me nor de 50 mm, pero no se tomará en los cálculos mayor que el mínimo ancho libre cerca de la parte superior del tablero de acero. (Véase la Sección 9.3.5c para restricciones adicionales).
La losa de concreto será conectada a la viga de acero con pernos de corte soldados, de 20 mm de diámetro ó menores (AWS D1.1). Los pernos de corte se soldarán a través del tablero o directamente a la viga de acero. Después de su instalación los pernos de corte se extenderán no menos de 40 mm encima de la parte superior del tablero de acero.
El espesor de losa encima del tablero de acero no será menor a 50 mm.

9.3.5b. Nervios de Tableros Orientados Perpendicularmente a la Viga de Acero
Para nervios de tableros orientados perpendicularmente a la viga de acero, el concreto debajo del nivel superior del tablero de acero se despreciará en la determinación de las propiedades de la sección y en el cálculo de A_c .
El espaciamiento de pernos de corte a lo largo de una viga de apoyo no excederá 900 mm.
La resistencia nominal de un perno de corte será el valor estipulado en la Sección 9.5 multiplicado por el siguiente factor de reducción:

(9.3-1)

Donde
h_r = altura nominal del nervio, mm .
H_s = la longitud del perno de corte después de soldado, mm, no excederá el valor (h_r +75 mm) en los cálculos, pudiendo ser mayor su longitud real.
N_r = el número de pernos de corte en un nervio en la intersección con una viga, no excederá de tres en los cálculos, pudiendo estar instalados más de tres pernos de corte.
w_r = ancho promedio de concreto en el nervio o ensanche (como se define en la Sección 9.3.5a), mm.
Para resistir el levantamiento, el tablero de acero estará anclado a todos los elementos de soporte con un espaciamiento que no exceda 450 mm. Tal anclaje será proporcionado por pernos de corte, una combinación de pernos de corte y soldadura por puntos u otro dispositivo especificado por el diseñador.

9.3.5c. Nervios del Tablero Orientados Paralelamente a la Viga de Acero
El concreto debajo del nivel superior del tablero de acero puede ser incluido en la determinación de las propiedades de la sección y será incluido en el cálculo de A_c en la Sección 9.5.
Los nervios del tablero de acero sobre las vigas de apoyo pueden ser cortados longitudinalmente y separados para formar un ensanche de concreto.
Cuando la altura nominal del tablero de acero es 40 mm o mayor, el ancho promedio w_r del ensanche o del nervio no será menor que 50 mm para el primer perno de corte en la fila transversal más cuatro diámetros del perno para cada perno adicional.
La resistencia nominal de un perno de corte será el valor estipulado en la Sección 9.5, excepto que cuandor w_r / h_r es menor que 1,5, el valor de la Sección 9.5 se multiplicará por el siguiente factor de reducción:

0,6 (w_r / h_r) [(H_s / h_r) - 1,0] 1,0
(9.3-2)

Donde h_r y H_s se han definido en la Sección 9.3.5b y w_r es el ancho promedio de concreto en el nervio o ensanche tal como se ha definido en la Sección 9.3-5a.

9.3.6. Resistencia de Diseño al Corte
La resistencia de diseño al corte de vigas compuestas será determinada por la resistencia al corte del alma de acero, de acuerdo con la Sección 6.2.

9.4. FLEXIÓN Y COMPRESIÓN COMBINADAS
La interacción de compresión axial y flexión en el plano de simetría de secciones compuestas estará limitada por la Sección 8.1.1.2 con las siguientes modificaciones:
M_n = resistencia nominal en flexión determinada de una distribución plástica de esfuerzos sobre la sección compuesta excepto como se indica a continuación. P_e1; P_e2 = A_s F_my / carga de pandeo elástico.
F_my = esfuerzo de fluencia modificado, ver la Sección 9.2.
_b= factor de resistencia en flexión de la Sección 9,3.
_c= factor de resistencia en compresión = 0,85.
_c= parámetro de esbeltez de columna definido por la Ecuación 5.2-4, tal como se modifica en la Sección 9.2.2.
Cuando el término axial en las Ecuaciones 8.1-1a y 8.1-1b es menor que 0,3, la resistencia nominal en flexión M_n será determinada interpolando linealmente
entre la resistencia en flexión obtenida de la distribución plástica sobre la sección compuesta en (P_u/_c P_n)=0,3 y la resistencia en flexión en P_n=0 como
se determina en la Sección 9.3. Si se requieren conectores de corte en P_u = 0, se proporcionarán siempre que (P_u /_c P_n) sea menor que 0,3.

9.5. CONECTORES DE CORTE
Esta Sección se aplica al diseño de conectores de corte, sean pernos ó canales. Para conectores de otro tipo, ver la Sección 9.6.

9.5.1. Materiales
Los conectores de corte serán pernos de acero con cabeza, con una longitud no menor de cuatro diámetros del perno después de instalados, o canales de acero laminados en caliente. Los pernos cumplirán los requerimientos de la Sección 1.3.6. Los canales cumplirán los requerimientos de la Sección 1.3. Los conectores de corte estarán embebidos en losas de concreto hechas con agregados que cumplan con la Norma ASTM C33.

9.5.2. Fuerza de Corte Horizontal
Excepto para vigas embebidas en concreto tal como se definen en la Sección 9.1, el cortante horizontal total en la interfase entre la viga de acero y la losa de concreto se asumirá que es transferido por los conectores de corte.
Para acción compuesta con el concreto sometido a compresión por flexión, la fuerza cortante horizontal total entre el punto de máximo momento positivo y el punto de momento cero se tomará como el menor de los siguientes valores: (1) 0,85 f '_c A_c; (2) A_s F_y (3) Q_n ; donde:
f ' _c = resistencia a la compresión especificada del concreto.
A_c = área de la losa de concreto dentro de su ancho efectivo.
A_s = área de la sección de acero.
F_y = esfuerzo de fluencia mínimo especificado.
 Q_n = suma de las resistencias nominales de los conectores de corte entre el punto de momento positivo máximo y el punto de momento cero.
Para vigas híbridas, la fuerza de fluencia se calculará separadamente para cada componente de la sección; A_s F_y de la sección total es la suma de las fuerzas de fluencia de los componentes.
En el caso de vigas compuestas continuas donde el refuerzo longitudinal de acero en la región de momento negativo se considera que actúa conjuntamente con la viga de acero, la fuerza de corte horizontal total entre el punto de máximo momento negativo y el punto de momento cero se tomará como el menor valor de A_r F_yr y Q_n ; donde:
A_r = área del refuerzo longitudinal de acero adecuadamente desarrollado dentro del ancho efectivo de la losa de concreto.
F_yr = esfuerzo de fluencia mínimo especificado del acero de refuerzo.
 Q_n = suma de las resistencias nominales de los conectores de corte entre el punto de máximo momento negativo y el punto de momento cero.

9.5.3. Resistencia de los Pernos de Corte
La resistencia nominal de un perno de corte embebido en una losa sólida de concreto es:

Donde
A_sc = área de la sección transversal del perno de corte.
f '_c = resistencia a la compresión especificada del concreto.
F_u = resistencia a la tracción mínima especificada de un perno de corte.
E_c = módulo de elasticidad del concreto.
Para conectores tipo perno de corte embebidos en una losa sobre un tablero de acero preformado, referirse a la Sección 9.3 para los factores de reducción dados por las Ecuaciones 9.3-1 y 9.3-2 tal como sean aplicables. Los factores de reducción se aplican solamente al términos ' de la Ecuación 9.5-1.

9.5.4. Resistencia de los Conectores de Corte Tipo Canal
La resistencia nominal de un conector de corte tipo canal embebido en una losa sólida de concreto es:

(9.5-2)

Donde
t_f = espesor del ala del conector de corte tipo canal.
t_w = espesor del alma del conector de corte tipo canal.
L_c = longitud del conector de corte tipo canal.

9.5.5. Número Requerido de Conectores de Corte
El número requerido de conectores de corte entre la sección de máximo momento de flexión positivo o negativo y la sección adyacente de momento cero será igual a la fuerza cortante horizontal como se determina en la Sección 9.5.2 dividida por la resistencia nominal de un conector de corte tal como se determina de las Secciones 9.5.3ó 9.5.4.

9.5.6. Colocación y Espaciamiento de los Conectores de Corte
A menos que se especifique de otro modo, los conectores de corte requeridos a cada lado del punto de máximo momento de flexión, positivo o negativo, serán distribuidos uniformemente entre este punto y los puntos adyacentes de momento cero. Sin embargo el número de conectores de corte colocados entre cualquier carga concentrada y el punto de momento cero más cercano será suficiente para desarrollar el máximo momento requerido en el punto de aplicación de la carga concentrada. Excepto para conectores instalados en los nervios de tableros de acero preformado, los conectores de corte tendrán por lo menos 25 mm de recubrimiento lateral de concreto. A menos que estén ubicados sobre el alma, el diámetro de los pernos no será mayor que 2,5 veces el espesor
del ala a la que son soldados. El espaciamiento mínimo centro a centro de los pernos de corte será seis diámetros a lo largo del eje longitudinal de la viga compuesta de apoyo y cuatro diámetros en el sentido transversal, excepto que dentro del nervio de los tableros preformados de acero el espaciamiento centro a centro puede ser tan pequeño como cuatro diámetros en cualquier dirección.
El espaciamiento máximo centro a centro de conectores de corte no excederá ocho veces el espesor total de la losa. Véase también la Sección 9.3.5b.

9.6. CASOS ESPECIALES
Cuando la construcción compuesta no esta de acuerdo a los requerimientos de las Secciones 9.1 a 9.5, la resistencia de los conectores de corte y sus detalles de construcción se establecerán por un programa de ensayos adecuado.