Análisis de la Resistencia a Corte de Conectores Tipo Ángulo en Losas de Hormigón Armado sobre Estructura Metálica

Shear Strength Analysis of Angle-type connectors in Reinforced Concrete Slabs on a Metallic Structure

Análise da Resistência ao Cisalhamento de Conectores do Tipo Angular em Lajes

Los conectores de corte que unen una viga compuesta (losa de hormigón y viga metálica) ayudan a transmitir de mejor manera los esfuerzos cortantes, aumentando la capacidad a corte entre 30 y 50 %. Para que esto suceda los conectores deben estar soldados al patín de la viga (McCormac y Csernak, 2013; Deng et al., 2019). Entre los tipos de conectores, están: pernos stud, varillas corrugadas, espirales, angulares y tornillos (Crisafulli, 2018). El estudio experimental de los conectores de corte se puede realizar mediante varios métodos, pero el más utilizado en el área de investigación es el ensayo push-out. Este ensayo consiste en la aplicación de carga y descarga, durante 25 ciclos para después llevar la probeta a la carga de falla. Este tipo de ensayo genera resultados favorables para el análisis de los conectores de corte (UNE EN 1994 1-1, 2013).

El American Institute of Steel Construction (AISC) determina los criterios de diseño del conector tipo stud, considerando la resistencia (ANSI/AISC 360-16, 2016). Sin embargo, esta resistencia puede ser afectada por varios factores, como son: la corrosión por el paso de los años (Chen et al., 2016), el refuerzo en la losa y la geometría de los conectores que no están dentro de los criterios de diseños establecidos por el AISC (Horita et al., 2012). Deng et al. (2019) ensayaron 3 tipos de conectores en losas de hormigón maciza, siendo uno de estos un conector tipo ángulo, analizaron la ductilidad, la resistencia a corte, la rigidez y su degradación para determinar el comportamiento de cada uno de los conectores, así pudieron determinar que el conector tipo ángulo fue el segundo con un comportamiento más adecuado. Shariati et al. (2014; 2016) estudiaron conectores de corte tipo ángulo en losas de hormigón maciza, con los resultados obtenidos del ensayo push-out, determinaron una ecuación para su diseño, donde obtuvieron resultados favorables con la ecuación propuesta.

El presente trabajo analiza el comportamiento de conectores de corte tipo ángulo, cuando están localizados de diferente manera a la expuesta en códigos de diseño. Para ello, se consideraron conectores de corte tipo ángulo, colocados de manera perpendicular respecto a la cara del patín de la viga de acero, analizando dos tipos de posiciones (45 y 90° referente al eje longitudinal del patín), como se muestra en la Figura 1, mediante el ensayo de probetas push-out no estandarizadas y siguiendo el protocolo de carga dispuesto por el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013). Para ello, se analizaron las propiedades del sistema del conector, tales como: ductilidad, tenacidad y rigidez. También se determinó la posición del conector que presentaba un mejor comportamiento y se realizó una comparación de la resistencia del conector con respecto a fórmulas planteadas por los códigos internacionales e investigaciones previas.

Ensayo push-out y probetas de ensayo

El ensayo push-out es uno de los más empleados para el estudio de la resistencia de los conectores, donde se obtienen curvas fuerza versus deslizamiento para cada conector. El Eurocódigo 4 (UNE-EN 1994 1-1, 2013) normaliza este tipo de ensayo con su probeta estandarizada, para pernos stud con un mínimo de 3 probetas para ensayar, sin embargo, se pueden realizar los ensayos con probetas no estandarizada. Por tal razón, en este trabajo se emplearon 6 probetas no estandarizadas para realizar las pruebas, donde, el conector propuesto para el análisis fue un ángulo de dimensiones de 40 x 4 mm, ubicado a 45 y 90º, como muestra la Figura 1, con una altura de 80 mm. La geometría de la losa estuvo basada en investigaciones previas (Molina y Hurtado, 2011; Pavlović et al., 2013; Shariati et al., 2014), con dimensiones de 300 x 400 x 110 mm. Se empleó una viga tipo I con una geometría de 200 x 100 x 6 x 8 mm, que une las dos losas para conformar la probeta push-out, la cual contó con una longitud de 400 mm, dimensión similar a la longitud de las losas de hormigón. La configuración de las probetas push-out se muestra en la Figura 2, así como sus dimensiones.

Protocolo de ensayo

El protocolo de ensayo se dividió en dos etapas: la primera, denominada pre-carga, y la segunda, carga formal (Deng et al., 2019), como se muestra en la Figura 3. La precarga consistió en la aplicación de carga y descarga durante 25 ciclos entre un rango de 5 a 40 % de la capacidad máxima a corte de los conectores. La carga formal partió en el ciclo 26, cuando la descarga alcanzaba el 5 % de su valor, y se llevó la probeta push-out a la falla de rotura en un lapso no menor a 15 min, o hasta que la curva había descendido en un 20 % de la capacidad máxima a corte de los conectores (UNE EN 1994 1-1, 2013).

Instrumentación

Existen dos parámetros fundamentales que se deben medir mientras se realiza el ensayo push-out, estos son: la carga aplicada a la probeta push-out y el deslizamiento que existe entre la losa y la viga (UNE EN 1994 1-1, 2013). Para medir la carga se empleó un gato hidráulico con capacidad de 980 kN. Se midieron los desplazamientos mediante los transductores de desplazamiento lineal variable (LVDT), como se muestra en la Figura 4.

Propiedades de los materiales

La resistencia se obtuvo del ensayo a compresión de cilindros de hormigón a los 28 días de edad, la cual fue de 26,03 MPa, y se obtuvo un módulo de elasticidad de 21,16 GPa a los 55 días de edad, realizando el mismo tipo de ensayo. Se realizaron ensayos a tracción con placas extraídas del ángulo de 40 x 4 mm, los cuales exhibieron un esfuerzo a tracción de 339 MPa.

Curva carga-deslizamiento

Para analizar las propiedades mecánicas del conector tipo ángulo, se utilizó la curva carga-deslizamiento dispuesta en el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013); por ende, la curva contó con los datos de la parte de la carga formal (Deng et al., 2019; Hällmark et al., 2019). Como se observa en la Figura 5, uno de estos datos eran las cargas obtenidas del ensayo, las cuales se analizaron por conector (Molina y Hurtado, 2011; Bamaga et al., 2019). Además, se tomó en cuenta que el deslizamiento obtenido es entre la losa y la viga, de acuerdo con el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013). En la Figura 5 se muestra la carga máxima ( Qmas), la resistencia carácteristica a corte ( Prk) y el deslizamiento último ( ).

Los conectores a 45º presentaron un comportamiento lineal para la parte inicial de la curva, como se lo puede apreciar (Figura 5). La zona plástica de las curvas mostró un cambio de pendiente continuo y no abrupto, como se destaca en la Figura 6. También se observó que sus curvas prácticamente están juntas, lo cual indica que el comportamiento de estos conectores a 45° son homogéneos.

Las curvas para los conectores a 90º se muestran en la Figura 7. Estos resultados presentaron curvas con poco decaimiento en la parte final de la zona plástica, debido a la repentina falla entre la unión del conector con la viga, pese a que la zona elástica tuvo una tendencia lineal. El ensayo 90-1 presentó un comportamiento atípico con relación a los demás ensayos, con una curva diferente una carga máxima mayor.

con su valor medio,.y su valor medio , y con su respectivo valor medio. Los conectores exhibieron cargas máximas medias similares.

Cargas máximas y resistencia característica

Para obtener de los 6 ensayos, se analizaron las por cada conector. Este análisis lo estipula el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013) e indica que cada una de las cargas máximas por conector no debe exceder en un ±10 % de la media de los 6 ensayos realizados. Si no se cumplen con este límite, las cargas máximas deben ser reducidas mediante modelos estadísticos, establecidos por el anexo D del Eurocódigo 0 (UNE EN 1990 1-1, 2019). De las dos posiciones analizadas, el conector a 90° presentó una probeta con un comportamiento atípico, el cual no cumple con lo establecido por el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013). Por tal motivo, se empleó el modelo estadístico para el cálculo de la resistencia, recomendado en el anexo D, método A, expresión D.17 del Eurocódigo 0 (UNE EN 1990 1-1, 2019). Una vez aplicado este método, se obtuvo un factor de reducción, nk, de 0,848 para las cargas del conector a 90º. Este factor se aplicó para la carga del conector 90-1, quedando un valor de 137,17 kN. En la Tabla 2 se muestra el porcentaje resultante entre la carga media, con respecto a cada una de las cargas de los conectores. Estos valores cumplen con el límite, por ende, se puede determinar el valor del

El valor mínimo reducido en 90 % de los 6 ensayos realizados por conector, es el valor de Así, se realizó un análisis estadístico para cada uno de los conectores ensayados, donde se incluyó la dispersión de las cargas con respecto a su media y su mediana. En la Tabla 3 se muestran los valores de carga máxima por conector, los valores estadísticos y la resistencia característica obtenida de los 6 ensayos para el conector a 45º. Se realizó un análisis similar para el conector a 90º, obteniéndose una resistencia característica. En la Figuras 8 se presentan los valores de carga máxima experimental, con respecto a su media y mediana, para cada tipo de conector

Figura 8. Valores de carga máxima experimental, con respecto a su media y mediana, para conectores tipo ángulo en posiciones a 45 y 90°. Q: carga máxima experimental.

Del análisis estadístico se obtuvo que el conector a 45º presentó valores de carga máxima cercanos a su media y mediana; caso contrario al análisis del conector a 90º (Tabla 4), en el cual el valor de la media y mediana tuvieron valores semejantes, presentando más probetas con una desviación absoluta distante. Además, presentó una resistencia característica de 122,41 kN, que resulta mayor a la obtenida del conector a 90º, con un valor de 119,61 kN.

Tabla 4. Valor de P para conectores de corte tipo ángulo con posición a 90º.

¹usa la media, ²usa la mediana, Q: carga máxima experimental, Pmínimo: mínimo valor de todas las capacidades máximas a corte obtenidas de las probetas ensayadas, P_RK: resistencia característica a corte.

Propiedades mecánicas

Debido a que el ensayo push-out tiene una parte cíclica, la rigidez inicial de la curva carga-deslizamiento se vió afectada para el análisis de los conectores. Para determinar la rigidez inicial se utilizó el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013), el cual considera el 40 % de la capacidad máxima a corte de los conectores (Ecuación 1):

(1) Donde: Qmáx es la capacidad máxima a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de un tercio de la capacidad máxima.

El Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013) estipula el análisis de la resistencia característica para el 90% de

la capacidad máxima a corte, utilizando la ecuación de una rigidez secante, como lo indica la Ecuación 2:

(2) Donde: PRK es la capacidad característica a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de la capacidad característica.

Por otra parte, Hällmark et al., (2019) determinaron la rigidez característica de acuerdo con los valores especificados en el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013), con la reducción de la capacidad característica en un 75 % (Ecuación 3):

(3) Donde: PRK es la capacidad característica a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de la capacidad característica.

Los valores de los coeficientes de la ductilidad de los conectores se pueden obtener de la curva carga vs. deslizamiento (Figura 9). Shariati et al., (2019) determinaron el factor de ductilidad o el coeficiente de la ductilidad

( con la división entre el deslizamiento característico (δu) y el deslizamiento a fluencia (δy), para cada conector ensayado (Ecuación 4):

(4) Figura 9. Curva carga-deslizamiento, conector a 90º. PRK: resistencia característica a corte, Qmáx: carga máxima.

La tenacidad de los conectores de corte se determinó como el área acumulada bajo la curva cargadeslizamiento de los conectores de corte hasta antes de llegar a la falla por rotura, se emplea el método del trapecio para determinar el área bajo la curva, Tablas 5 y 6.

1usa la media, 2usa la mediana, Q: carga máxima experimental, Pmínimo: mínimo valor de todas las capacidades máximas a corte obtenidas de las probetas ensayadas, PRK: resistencia característica a corte.

Del análisis estadístico se obtuvo que el conector a 45º presentó valores de carga máxima cercanos a su media y mediana; caso contrario al análisis del conector a 90º (Tabla 4), en el cual el valor de la media y mediana tuvieron valores semejantes, presentando más probetas con una desviación absoluta distante. Además, presentó una resistencia característica de 122,41 kN, que resulta mayor a la obtenida del conector a 90º, con un valor de 119,61 kN

1usa la media, 2usa la mediana, Q: carga máxima experimental, Pmínimo: mínimo valor de todas las capacidades máximas a corte obtenidas de las probetas ensayadas, PRK: resistencia característica a corte.

Propiedades mecánicas

Debido a que el ensayo push-out tiene una parte cíclica, la rigidez inicial de la curva carga-deslizamiento se vió afectada para el análisis de los conectores. Para determinar la rigidez inicial se utilizó el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013), el cual considera el 40 % de la capacidad máxima a corte de los conectores (Ecuación 1):

Donde: Qmáx es la capacidad máxima a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de un tercio de la capacidad máxima.

El Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013) estipula el análisis de la resistencia característica para el 90% de la capacidad máxima a corte, utilizando la ecuación de una rigidez secante, como lo indica la Ecuación 2:

(2)

Donde: PRK es la capacidad característica a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de la capacidad característica.

Por otra parte, Hällmark et al., (2019) determinaron la rigidez característica de acuerdo con los valores especificados en el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013), con la reducción de la capacidad característica en un 75 % (Ecuación 3):

(3)

Donde: PRK es la capacidad característica a corte de los conectores y δi el deslizamiento registrado cuando el valor es de la capacidad característica.

Los valores de los coeficientes de la ductilidad de los conectores se pueden obtener de la curva carga vs. deslizamiento (Figura 9). Shariati et al., (2019) determinaron el factor de ductilidad o el coeficiente de la ductilidad

( Importar_Imgen5265c64616 con la división entre el deslizamiento característico (δu) y el deslizamiento a fluencia (δy), para cada conector ensayado (Ecuación 4):

La tenacidad de los conectores de corte se determinó como el área acumulada bajo la curva cargadeslizamiento de los conectores de corte hasta antes de llegar a la falla por rotura, se emplea el método del trapecio para determinar el área bajo la curva, Tablas 5 y 6.

δu: deslizamiento característico, δy: deslizamiento de fluencia, U: factor de ductilidad, K: rigidez, Qmáx: carga máxima, PRK:

resistencia característica a corte.

En la Tabla 5 se presentan los valores de ductilidad, tenacidad y rigidez de los conectores a 45º. Del análisis de la resistencia de diseño, la probeta 45-5 exhibió el mínimo valor de carga máxima de los 6 ensayos. Se observó que la rigidez en el 90 % de fue menor que la rigidez en el 40 % de , debido al incremento de deslizamiento.

δu: deslizamiento característico, δy: deslizamiento de fluencia, U: factor de ductilidad, K: rigidez, Qmáx: carga máxima, PRK: resistencia característica a corte.

resistencia característica a corte.

De acuerdo con los deslizamientos vistos entre ambos conectores y respecto al factor de ductilidad media, presentados en las Tablas 5 y 6, se determinó que el valor de la ductilidad del conector a 90° fue mayor en un 10,17 %, con relación al conector de 45°, no obstante, esto no indica que esta último tiene un mejor comportamiento. Esto se debe a que presentó mayores desviaciones estándares de los desplazamientos en el conector a 90°, lo que no mostró el conector de 45°, ya que los valores no difieren mucho entre sí, para los 3 parámetros analizados.

De las tenacidades mostradas en las Tablas 5 y 6, se deduce que el conector a 45° tuvo una energía absorbida media de 1837,73 J, mientras que el conector de 90° presentó un valor de 2071,54 J. Aunque los valores del conector a 90° son mayores que el del 45°, se puede llegar a realizar el mismo análisis con la desviación estándar de los valores obtenidos. Además, observando las curvas de carga vs. deslizamiento, y de acuerdo con el Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013), se establece que la ductilidad del conector a 45° es dúctil.

Análisis de la capacidad a corte

Se hace necesario encontrar un modelo numérico que se asemeje a los resultados obtenidos de los ensayos push-out. Para este análisis se utilizó la Ecuación 5, planteada por el ANSI/AISC 360-16 (2016). Así mismo, se presenta esta ecuación aplicando el estado límite de resistencia estipulado por el AASHTO-LRFD (2014) y el factor de reducción, cuyo valor fue de 0,85 ( sc) (Ecuación 6). A saber:

El Eurocódigo 4 (UNE EN 1994 1-1, 2013) presenta la Ecuación 7 donde se emplean los elementos del conector de corte tipo stud, como el diámetro del perno, d (mm), y la altura del conector, stud (mm), además, la resistencia a compresión del hormigón, f c (N/mm²), el módulo de elasticidad, Ec (N/mm²) y el coeficiente alfa ( ) que debe ser elegido como el menor valor de las Ecuaciones 8 y 9:

El código de estructuras de acero de la República de China (GB-50017, 2017), incluye la Ecuación 10 para el diseño de conectores tipo ángulo, donde el espesor del alma del conector es tw (mm), el espesor del patín tf (mm), el ancho del conector c (mm) y las propiedades del hormigón Ec y f c (N/mm²) (GB 50017, 2017):

Los autores Bamaga et al. (2019) emplearon la Ecuación 11 diferente a los códigos antes mencionados, que utiliza la geometría del conector tipo ángulo, como su altura Importar_Imgen5265c64616 (mm) y el espesor tsc (mm), además de la resistencia del hormigón f c (N/mm²):

Titoum et al. (2016) obtuvieron excelentes resultados aplicando la Ecuación 12, dictada por la norma canadiense (CSA-S16-0, 2001) para determinar la capacidad máxima a corte de los conectores tipo I; una ecuación similar presenta el ANSI/AISC 360-16 (2016) para conectores tipo canal. Se empleó la Ecuación 8, usada por Titoum et al. (2016) para una viga I con momento de inercia similar a la del conector en ángulo. La viga que se asemeja tenía un espesor de 4 mm para el alma ( tf ) y de 4 mm para el ala (tw) (Titoum et al., 2016):

Las capacidades a corte determinados con las diferentes investigaciones se detallan en la Tabla 7.

El comportamiento de los conectores de corte tipo ángulo para 45 y 90° es considerado como dúctil, de acuerdo con el deslizamiento característico que presentaron las 12 probetas para el ensayo push out. Los resultados de las ecuaciones propuestas en investigaciones previas y códigos internacionales, al ser adaptadas y empleadas únicamente con el fin de comparar los resultados experimentales de este estudio, muestran que subestiman el valor de resistencia del conector, por lo que se recomienda mayor investigación previa a establecer una ecuación que estime la resistencia de este tipo de conector.

De los 12 ensayos realizados de los conectores de corte con dimensión de 40 x 4 mm y con las consideraciones antes expuestas, el comportamiento de los conectores fue determinado exitosamente mediante el ensayo experimental; donde se determinó que la posición a 45° cumple con un comportamiento más homogéneo en todos los parámetros analizados que fueron obtenidos de las curvas. Su óptimo rendimiento hace que este conector sea el más adecuado para su implementación en futuras investigaciones, de manera apropiada y técnica en el ámbito de la construcción.