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Estructuras compuestas para puentes | Por
José Antonio de Luna del Rosario* |
Hay en el mundo una amplia gama de elementos estructurales de amplio uso en puentes, pero el más conocido y empleado es el tablero formado por vigas metálicas o vigas de concreto prefabricadas y una losa superior construida in situ.
Sin embargo, se cuenta con un elevado número de otras combinaciones de materiales que unidos entre sí, forman un elemento compuesto.
Por ejemplo, los siguientes:
•
Pilotes de concreto con un refuerzo central, constituido por una viga
de acero
• Pilares compuestos por una viga cajón ahuecada, también
ubicada en el centro de la estructura
• Pilares compuestos por un núcleo central de acero, envuelto
con malla electrosoldada y concretado poste-riormente.
• Cajones de acero rellenos con concreto para túneles sumergidos.
Por la economía que representa su manejo y puesta en obra, las estructuras compuestas son muy comunes en los puentes: ocupan más de 90% de los diseños actuales
Conceptos
básicos
Hay dos efectos primarios que deben ser considerarse para una comprensión
clara del comportamiento de los elementos compuestos:
• Las diferencias entre las propiedades mecánicas de los
materiales que se combinan
• La conexión entre estos materiales
Materiales
El comportamiento de las estructuras compuestas está influido
en una gran proporción por las propiedades intrínsecas
de los materiales que se combinan, pues de su adecuada combinación
depende el óptimo comportamiento de los elementos de los que
forman parte. En el caso de los puentes, los materiales más utilizados
son el acero, el concreto y la madera. Un análisis comparativo
de sus propiedades se resume brevemente en la tabla 1.
La
diferencia entre la resistencia y rigidez de los materiales que intervienen
en el elemento compuesto afectan la distribución de cargas de
la estructura. La resistencia y rigidez intrínsecas del acero
atraen proporcionalmente más carga que el concreto y la madera.
Para tomar tales diferencias es necesario transformar la sección
en otra que asuma propiedades comunes para toda su geometría,
transformando las propiedades de los dos materiales diferentes en uno
solo. Para ello, se emplean los coeficientes de relación de módulos
de elasticidad y resistencia.
Cuando se diseña por tensiones admisibles se emplea únicamente
la relación de módulos de elasticidad, ya que el elemento
diseñado se mantiene dentro de los límites del rango elástico.
Para estructuras compuestas de concreto y acero la relación de módulos de elasticidad será:
| n = | E s |
| ––––– | |
| E c |
| n = | E s1 |
| ––––– | |
| E c2 |
Para
estructuras compuestas de concreto con diferentes resistencias será:
n = ––––– (2) El valor de esta relación
es mucho menor y oscila entre 1,2 y 1,7.
En
los valores anteriores debe destacarse que el coeficiente n depende
del material predominante, con el cual se va a realizar el diseño
de la sección compuesta.
Por ejemplo, en una sección compuesta con viga metálica
y losa de concreto, la sección transformada predominante es la
de acero.
Por lo tanto, la parte de concreto se transforma en “sección
de acero equivalente”. Esto implica que las características
geométricas del concreto deberán dividirse por el coeficiente
n.
Una regla mucho más fácil es asumir que el material de
la sección transformada se encuentra en el denominador y así
el valor de n puede tomar valores mayores o menores que 1.
En los estados límites últimos debe usarse la relación
entre las resistencias de los materiales, en la que evidentemente debe
aparecer el coeficiente de seguridad referido a este tipo de diseño.
Así, para estructuras compuestas de concreto y acero la relación
de módulos de ruptura será:
| n = | 0,95 fy |
| ––––– | |
| 0,4 f´c |
(3)
Conexión
de interfase
Hay múltiples maneras o métodos constructivos para lograr
la unión de los dos elementos que conforman el elemento compuesto.
La unión de los dos materiales diferentes es de vital importancia
para que el elemento
final funcione como un todo. Si esta conexión no está
bien lograda, cada una actuará como una estructura independiente
con las complicaciones que ello puede traer, al ser concebidas como
un elemento único.
En la zona de la interfase se desarrolla una solicitación perpendicular a las superficies que se encuentran en contacto; en el caso de las vigas compuestas esta solicitación se conoce con el nombre de cortante horizontal, el cual deberá ser asumido por un dispositivo que evite el desplazamiento relativo entre ambas superficies. A estos dispositivos se les denomina conectores de cortante.
La fuerza de cortante horizontal está relacionada con el cortante vertical que actúa perpendicularmente a la sección de la estructura y depende además del momento estático de la losa y de la inercia de la estructura compuesta. El cortante horizontal actuante máximo se determina por la ecuación:
| Vuf = Vu. | aL
*h s |
–––––
|
|
Ic |
(4) ;
Donde: Vuf es el cortante horizontal empleado para el diseño de la unión (en kg/cm); Vu es el cortante vertical en la sección considerada, h s es la distancia desde el centroide de la losa al centroide de la viga compuesta, Ic es la inercia de la viga compuesta y A L es el área de la losa considerada como colaborante, que se determina como: A L = be * h L ; siendo be el ancho efectivo colaborante y h L el espesor de la losa.
Para cargas uniformemente distribuidas, el cortante horizontal varía linealmente con claro, siendo máximo en los apoyos y cero en el centro del claro para vigas simplemente apoyadas. Para cargas concentradas, particularmente cuando las mismas se encuentran cercanas a los apoyos, el cortante horizontal puede tomar valores altos.
En la figura 4 se pueden apreciar los diagramas de cortante para las
cargas distribuidas que actúan en la viga, como el peso propio
y las cargas permanentes, y para las cargas concentradas, como serían
las de tránsito. También, se indica la envolvente del
diagrama de cortante de una carga concentrada viajando a lo largo de
la viga.
El diseño de conectores en secciones compuestas de concreto-concreto
aparece normado en el capítulo 11.7 del Código ACI 318-99
2 . De acuerdo con ello, en el plano de contacto entre los dos materiales
se asumirá una grieta longitudinal existente o potencial.
Si la fuerza de fricción existente entre las superficies en contacto
no resiste la totalidad del cortante calculado previamente de acuerdo
con la expresión 4, entonces se deberán colocar conectores
de cortante, cuya área requerida se determina por la expresión;
| A vf = Vu | V
uf |
–––––
|
|
ø
. fy . µ. |
(5) en la cual Avf es el área
requerida de armadura de transferencia perpendicular al plano de cortante, A vf es el cortante mayorado que deberá resistir la armadura (diferencia entre el cortante actuante y el que resiste la fuerza fricción calculada); ø es un factor de reducción de resistencia que de acuerdo con el capítulo 9 de la propia norma toma los valores de f = 0,85 para cortante y torsión, µ es el coeficiente de fricción concreto-concreto, de acuerdo con el punto 11.7.4.3 de la norma norma, que depende del estado de las superficies en contacto expuestas anteriormente, y fy es la tensión de fluencia de diseño de la armadura de cortante por fricción, que no debe exceder los 420 MPa
Se permite reducir el cortante actuando en el plano de cortante, por
la acción de compresión debida al pretensado, así
como deberá incrementarse el valor anterior cuando hayan esfuerzos
de tensión en el mismo plano. Los conectores de cortante deberán
colocarse distribuidos a lo largo de la sección de cortante.
Una viga puede dividirse en varias secciones de cortante con el fin
de disminuir la cantidad de conectores en un punto determinado.
El diseño de conectores en vigas de acero y concreto se determina
igualmente como Vuf, pero debe tenerse presente que el valor de A L,
área de la losa considerada colaborante, deberá dividirse
consecuentemente por el coeficiente n por ser la sección transformada
de concreto equivalente al acero.
El esfuerzo de cortante horizontal admisible está dado por la expresión:
| V = |
Vuf |
–––––
|
|
ø |
en la cual V ue es el esfuerzo de cortante
último de un conector cuya magnitud se ha establecido experimentalmente y ø es un factor de seguridad al cortante que usualmente se emplea igual a 3. En tal sentido, la separación s (cm) entre los conectores de cortante en la longitud considerada será:
| s = |
V |
–––––
|
|
Vuf |
s = ––––, que no deberá ser superior a 60 cm.
Los
conectores más empleados en los puentes compuestos de vigas de
alma llena son canales y espirales, aunque últimamente se emplean
con mucha mayor frecuencia los conectores Stud Nelson.
Para conectores tipo canal, el valor de V ue será, 3 V ue = 105.2.
(h c + 0.5t).w fc´, en el que h c es el espesor del ala del canal
en cm, t es el espesor del alma del canal en cm y w el ancho del conector
en cm. En estos conectores, la distancia entre el borde superior de
la losa y el borde superior del canal debe ser como mínimo 2.5
cm.
El método de diseño de conectores para otro tipo de materiales en contacto podrá ser consultado en la literatura especializada.