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Ensayos de Corte Directo de Conectores de Cortante Tipo Canal en Losas de Concreto sobre
Lámina Colaborante
Fabio Hoyos Toro, IC, MI fhoyos@acesco.com
Gilberto Areiza Palma, IC, MSc gilberto.areiza@correounivalle.edu.co
Universidad del Valle
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
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
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
JUSTIFICACIÓN
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.
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”
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.
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.
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
FASE EXPERIMENTAL Descripción de las probetas
- Se fabricaron 57 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
FASE EXPERIMENTAL Descripción de las probetas
Serie Probeta Canal
Longitu
d Lc
(mm)
Posición
Resistencia
Concreto f'c
(MPa)
Altura
lámina
hr
(mm)
Orientación
de la
lámina
Espeso
r losa tc
(mm)
Canal
cargado
por el
1 P1 P2 P3 C3x4.1 50 F 21 50 N 10cm F
2 P4 P5 P6 C3x4.1 50 D 21 50 N 10cm F
3 P7 P8 P9 C3x4.1 50 M 21 50 N 10cm F
4 P10 P11 P12 C3x4.1 75 M 21 50 N 10cm F
5 P13 P14 P15 C3x4.1 100 M 21 50 N 10cm F
6** P16 P17 P18 C3x4.1 125 M 21 50 N 10cm F
7 P19 P20 P21 C3x4.1 50 M 35 50 N 10cm F
8** P22 P23 P24 C3x4.1 75 M 35 50 N 10cm F
9** P25 P26 P27 C3x4.1 100 M 35 50 N 10cm F
10 P28 P29 P30 C3x4.1 50 M 35 50 N 10cm F
11** P31 P32 P33 C3x4.1 50 M 21 50 P 12cm F
12** P34 P35 P36 C4x5.4 50 M 21 50 N 12cm F
13 P37 P38 P39 C4x5.4 50 M 21 76 N 13cm F
14 P40 P41 P42 C4x5.4 75 M 21 76 N 13cm F
15 P43 P44 P45 C4x5.4 100 M 21 76 N 13cm F
16** P46 P47 P48 C4x5.4 125 M 21 76 N 13cm F
17 P49 P50 P51 C3x4.1 50 M 21 50 N 10cm E
18 P52 P53 P54 C3x4.1 50 F 21 50 N 10cm E
19 P55 P56 P57 C3x4.1 50 D 21 50 N 10cm E
20 P58* C3x4.1 50 M 35 50 N 10cm F
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
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
FASE EXPERIMENTAL Instrumentación Gato de 500 KN
LVDT
Celda de carga 500 KN
Platina de 25 mm
Probeta
Gato de 500 KN
Perfil metálico de confinamiento
Platina de 38 mm
Marco de ensayos
Varillas roscadas
Celda de carga 250 KN
FASE EXPERIMENTAL Caracterización de los materiales
Concreto: 35 Mpa 21 Mpa 35 Mpa
Fecha del ensayo Dic 1/2014 Dic 3/2014 Dic 11/2014
1 33.59 22.8 40.1
2 34.89 20.83 37.84
3 33.63 23.12 37.79
4 33.75 22.6 40.09
5 35.09 22.35 38.45
6 35.15 23.01 40.94
7 34.63 22.63 40.72
8 35.51 21.19 40.57
Promedio 34.53 22.32 39.56
Desviación estándar 0.765 0.847 1.316
Muestra Ancho (mm) Espesor
(mm)
Esfuerzo
Fluencia
(MPa)
Esfuerzo
Máximo
(MPa)
% de
elongación
en 20cm
Tipo de Falla
Canal 4” 19.1 4.5 86.0 428.6 18.5 Fuera del tercio central
Canal 3” 19.2 3.2 61.4 394.3 21.0 Fuera del tercio central
Resistencias de los concretos
Resistencia del acero de los conectores
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.
Modo 1: Falla localizada del concreto (aplastamiento del
concreto)
Falla localizada en el concreto (aplastamiento) que ocurre entre la lámina y el conector
en la posición donde proviene la carga a corte directo.
Dirección de aplicación de la
carga a corte directo
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Mecanismos de falla
RESULTADOS EXPERIMENTALES
Mecanismos de falla Modo 3: Fractura del alma del conector
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
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
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.
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.
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
ESTUDIO PARAMÉTRICO
Resistencia del concreto
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
4,25 4,75 5,25 5,75 6,25 6,75Carg
a p
or
conecto
r (K
N)
√f'c (√MPa)
Lc=50mm Lc=75mm Lc=100mm
Carga vs. Deslizamiento canales L=50mm y altura
de lámina de 2 pulgadas 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.
ESTUDIO PARAMÉTRICO
Longitud del conector
• 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.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
Lc=75mm lc=50mm Lc=100mm Lc=125mm
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
25 50 75 100 125 150
Carg
a p
or
conecto
r (K
N)
Longitud del conector Lc (mm)
f'c=22.32MPa f'c=39.54MPa
40,00
45,00
50,00
55,00
60,00
65,00
70,00
75,00
80,00
85,00
90,00
25 50 75 100 125 150
Carg
a p
or
conecto
r (K
N)
Longitud del conector Lc (mm)
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
ESTUDIO PARAMÉTRICO
Posición del conector en el valle del tablero
• 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.
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30C
arg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
Posición Débil Posición media Posición Fuerte
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
0 1 2 3 4
Carg
a p
or
conecto
r (K
N)
Posición del conector en el valle: 1-Débil 2-Medio 3-Fuerte
Cargado por el frente Cargado por espalda
Posición fuerte y débil de los
conectores tipo canal sobre
tableros metálicos
Carga vs. Desl. En diferentes pos. del
conector (D, M y F), Lc=50mm y
f´c=22.32MPa
Efecto de la posición del conector
en el valle del tablero (fuerte, medio
y débil)
ESTUDIO PARAMÉTRICO Altura del tablero y altura del conector sobre la cresta del tablero
• 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%.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
C4x5.4 / hr=2" C4x5.1 / hr=3" C3x4.1 / hr=2"
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
50 75 100 125
Resis
tencia
pro
medio
de los c
onecto
res
Qn (
KN
)
Longitudes de conector Lc (mm)
Hr=50mm Hr=75mm
0,00
10,00
20,00
30,00
40,00
50,00
60,00
70,00
80,00
90,00
100,00
1,33 1,50 2
Carg
a p
or
conecto
r (K
N)
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
ESTUDIO PARAMÉTRICO Forma de cargar el conector (frente o espalda)
• 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
0
10
20
30
40
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
Cargado por la espalda Cargado por el frente
Carga vs. Deslizamiento – posición
Débil del conector
0
10
20
30
40
50
60
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
Cargado por la espalda Cargado por el frente
Carga vs. Deslizamiento – posición
Media del conector
0
10
20
30
40
50
60
70
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
cargado por la espalda Cargado por el frente
Carga vs. Deslizamiento – posición
Fuerte del conector
ESTUDIO PARAMÉTRICO Orientación del tablero (perpendicular o paralelo al perfil viga)
• 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.
0102030405060708090
100110
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a p
or
conecto
r (
KN
)
Desplazamiento(mm)
Lámina paralela Lámina perpendicular
Carga vs. Deslizamiento de probetas con lámina paralela y
lámina normal a la viga para Lc = 50mm y altura de lámina de 2
pulgadas
0,00
20,00
40,00
60,00
80,00
100,00
120,00
Pos. Débil Pos. Media Pos. Fuerte Paralela
Carg
a p
rom
edio
por
conecto
r (K
N)
Qn vs. Sentido del deck. Lc=50mm y distintas posicione del
conector para lámina orientada en sentido perpendicular a
la viga.
ESTUDIO PARAMÉTRICO Comportamiento de la carga de confinamiento
• 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.
-100
-50
0
50
100
150
200
250
0 5 10 15 20 25 30
Carg
a t
ota
l aplic
ada (
KN
)
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
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
EVALUACIÓN ECUACIONES DISPONIBLES
EVALUACIÓN ECUACIONES DISPONIBLES Tablero perpendicular al perfil
Resistencia
experimental /
Ecuación 1
Resistencia
experimental /
Ecuación 2
Resistencia
experimental /
Ecuación 3
Resistencia
experimental /
Ecuación 4
Max.
Ensayo /
Ecuació
n 1
0.748
Max.
Ensayo /
Ecuación
2
N.A.
Max.
Ensayo /
Ecuación
3
1.326
Max.
Ensayo /
Ecuación
4
1.873
Min.
Ensayo /
Ecuació
n 1
0.170
Min.
Ensayo /
Ecuación
2
N.A.
Min.
Ensayo /
Ecuación
3
0.304
Min.
Ensayo /
Ecuación
4
0.505
Promedi
o 0.449 Promedio N.A. Promedio 0.783 Promedio 1.156
Desv.
Estándar 0.147
Desv.
Estándar N.A.
Desv.
Estándar 0.201
Desv.
Estándar 0.309
Relación resistencia experimental / Resistencia de cada ecuación
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 1 1.586
Max. Ensayo /
Ecuación 2 1.189
Max. Ensayo /
Ecuación 3 N.A.
Max. Ensayo /
Ecuación 4 2.915
Min. Ensayo /
Ecuación 1 0.507
Min. Ensayo /
Ecuación 2 0.403
Min. Ensayo /
Ecuación 3 N.A.
Min. Ensayo /
Ecuación 4 0.693
Promedio 1.022 Promedio 0.758 Promedio N.A. Promedio 1.399
Desv. Estándar 0.279 Desv. Estándar 0.219 Desv. Estándar N.A. Desv. Estándar 0.617
FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO Ecuación general
Condición F1 F2 Fp
Tablero metálico orientado
paralelamente a la viga de acero 𝐿𝑐 1.7 − 1.1
𝑊𝑟
ℎ𝑟 245.0 + 10.2𝐿𝑐 0.80
Tablero metálico orientado
perpendicularmente a la viga de
acero
32.8 𝑊𝑟
ℎ𝑟− 0.2 𝐿𝑐 12.9 𝑡𝑓 + 𝑡𝑤 + 0.9𝐿𝑐
0.50 Para
conectores en
posición débil
0.80 Para
conectores en
posición fuerte
FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO
Qn = Resistencia del conector en N
f’c = Resistencia del concreto en MPa
Lc = Longitud del conector en mm
Fp = 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
Wr = Ancho promedio del tablero metálico en mm
hr = Altura del tablero metálico en mm
tf = Espesor de aleta del conector en canal en mm
tw = Espesor del alma del conector en canal en mm
FORMULACIÓN DE LA ECUACION DE DISEÑO Tabulación de los resultados de la ecuación
RESISTENCIA CONECTORES DE CORTANTE TIPO CANAL Qn en KN
Orientación de la lámina Longitud del
canal Lc
Láminas de 2" - Conector C3x4.1 Láminas de 3" - Conector C4x5.4
f'c = 21
Mpa f'c = 28
Mpa f'c = 35
Mpa f'c = 21
Mpa f'c = 28
Mpa f'c = 35
Mpa
Paralelo a la viga
50 92 112 130 121 141 159
75 95 123 147 153 181 205
100 85 120 150 182 217 247
125 62 103 139 207 248 285
150 24 72 115 228 276 318
Perpendicular a la viga (Posición débil del conector)
50 29 32 35 28 31 34
75 32 35 39 30 34 38
100 35 39 42 33 37 41
125 37 42 46 35 40 44
150 40 45 49 37 42 47
Perpendicular a la viga (Posición fuerte del conector)
50 46 52 56 45 50 55
75 51 57 62 49 55 60
100 56 62 67 53 59 65
125 60 67 73 56 64 70
150 64 72 78 60 68 75
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.
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.