DIMENSIONAMIENTO DE CAPITELES METÁLICOS PARA CONEXIÓN DE FORJADOS DE HORMIGÓN CON PILARES METÁLICOS
GENERALIDADES
La conexión de forjados de hormigón con pilares metálicos requiere una adecuada difusión de tensiones tangenciales a la masa de hormigón a fin de evitar problemas de cortante y punzonamiento.
Uno de los sistemas más utilizados al respecto son los capiteles de perfiles metálicos soldados a los pilares y embebidos en los ábacos, losas o vigas del forjado, dado que se trata de un sistema de conexión que permite una ejecución relativamente sencilla y un reparto muy uniforme de esfuerzos tangenciales.
La comprobación de estas crucetas no se contempla en la normativa estructural española, por lo que esbozamos en este post de RRG INGENIEROS los criterios de diseño en base a la antigua norma americana ACI-318M-14, lo que nos permitirá aplicando un enfoque conservador disponer de una herramienta para validar el diseño de estas conexiones.
NORMATIVA
El cálculo de capiteles metálicos puede abordarse según ACI-318M-14, distinguiendo el caso de capiteles que transmiten esencialmente esfuerzos de corte y los capiteles que transmiten además esfuerzos de flexión.
DISEÑO DE CAPITELES QUE TRANSMITEN ESENCIALMENTE CORTANTE
Según ACI-318M/22.6.9 las prescripciones iniciales de diseño para las crucetas o “cabezas de cortante” son las siguientes:
-Las crucetas deben consistir en perfiles de acero unidos con soldadura de penetración completa formando brazos idénticos y perpendiculares y no interrumpirse dentro de la sección de la columna
-La esbeltez del alma de las crucetas o relación altura/espesor no debe ser superior a 70
– Se cortarán los extremos de las crucetas en ángulos no menores a 30° con la horizontal
– Todas las alas de comprensión de los perfiles de acero deben localizarse dentro de 0.3d de la superficie en comprensión de la losa
-La relación “av” entre la rigidez de flexión de cada brazo de la cabeza de cortante y la rigidez de la sección de la losa compuesta agrietada que lo rodea, de un ancho (c2 + d) , no debe ser menor que 0.15
– La resistencia plástica a flexión ”Mp” de cada cruceta debe ser tal que permita el desarrollo de su capacidad mecánica última a cortante “Vu” antes de su agotamiento a flexión por lo que se dimensionarán las crucetas para un momento plástico de al menos:
Mp=(Vu/2∅n)·(hv+av·(lv-c1/2)
donde ∅ es el coeficiente reductor de resistencia (0,9 en este caso elementos controlados por tracción y 0,75 para el caso de elementos controlados por cortante), “n” es el número de crucetas entre las que se reparte el esfuerzo de punzonamiento, hv es la altura de la cruceta y “lv” es la longitud mínima de cada cruceta requerida para cumplir con los siguientes requisitos (22.6.9.8 y 22.6.9.10 de la ACI-318M-14):
*La tensión tangencial de punzonamiento de cálculo en el perímetro crítico a d/2 del perímetro del pilar no debe superar el valor de ϕ0.58·(fc´)^0,5
**La tensión tangencial de punzonamiento de cálculo en el perímetro crítico mínimo a una distancia igual 3/4 veces la longitud de la cruceta medida desde la cara del soporte ya no menos de d/2 desde el perímetro del pilar) no debe superar el valor de ϕ0.33·(fc´)^0,5
DISEÑO DE CAPITELES QUE TRANSMITEN ADEMÁS ESFUERZOS DE FLEXIÓN
Según 22.6.9.7 de la ACI-318M-14 la contribución de los capiteles metálicos a la capacidad resistente total a flexión de la losa maciza vendrá dada por:
Mv<=(∅·av·Vu/2n)·(lv-c1/2)
Quedando Mv limitado superiormente por el menos de los siguientes valores:
-El 30% del momento mayorado total requerido para cada franja de (“banda de soportes” definida por un ancho de 0,25 veces la luz menor entre pórticos)
-El incremento en la longitud lv del momento de la franja de columna
-Mp definido anteriormente
APLICACIÓN A UN CASO PRÁCTICO
Supongamos el caso de un ábaco de esquina de un forjado reticular apoyado en un pilar 2UPN120 y con los siguientes datos:
-Esfuerzo mayorado de punzonamiento: Ved=229 KN
-MEdx=7 KNxm
-MEdy=2 KNxm
-fck=25 MPa
-Ábaco hormigón canto 30 cm y armado base superior e inferior r12/20 (rec=35 mm=
-d=265 mm
-c2=110 mm
Implementado las fórmulas anteriores en una hoja de cálculo y asumiendo en un principio un perfil UPN140 (2 por cruceta), obtenemos los siguientes resultados:
-Perfiles 2UPN140/cruceta
-lv*=340 mm (longitud de crucetas medidas desde cara del pilar)
-Mp=23,6 KNxm<Capacidad plástica a flexión de 2 UPN140=53,8 KNxm-> Se cumple con 2 UPN140
-Resistencia a cortante de 2 UPN140=190 KN-> Se cumple con 2 UPN140
-Resistencia de las soldaduras verticales a cortante (2 cordones de 140 mm de altura y espesor de garganta 4,9 mm)=221 KN>219/2->Cumplen los cordones verticales
-Resistencia de las soldaduras horizontales a flexión (2 cordones de 110 mm y espesor de garganta 4,9 mm)=11,91 KNxm>23,6/2->Cumplen los cordones verticales
-Contribución a flexión de las crucetas=mínimo (Mv=14.3, 0.3*7=2,1 Mp=23.6)=2.1 KNxm (el 70% de esfuerzo de flexión restante requerido habría de ser absorbido mediante armaduras bien soldadas al pilar, lo cual se podría lograr por ejemplo con 2r12 soldados lateralmente a las caras del pilar y por encima de las crucetas)
Por tanto es válida la conexión propuesta de crucetas 2UPN de 340 mm de longitud desde el pilar.
Contraste de los resultados obtenidos con las soluciones propuestas por Cype Ingenieros
La base de datos de detalles en CAD de Cype propone las siguientes disposiciones en base a las antiguas NTE-EHR:
-lv*=L/8 (si suponemos una luz de 6 m tendríamos lv*=750 mm)
-lv*>500 mm
-Crucetas perfil 2UPN140
Vemos que la solución propuesta por Cype sería válida para nuestro caso concreto por lo que adoptaríamos la misma al ser más conservadora.
Observaciones y recomendaciones
Como vemos si bien este tipo de uniones es bastante eficaz para la transmisión de esfuerzos de corte y evitar el punzonamiento, la capacidad de contribuir a la transmisión de flexiones de este tipo de uniones es bastante limitada, por lo que a la hora de calcular este tipo de estructuras se recomienda no considerar un empotramiento perfecto sino parcial o incluso nulo de los pilares al forjado.
Por otro lado debemos tener en cuenta que el punto débil de estas uniones es el de las soldaduras de los perfiles al pilar, por lo que en la medida de lo posible se tenderá a la soldadura de todas las partes en contacto entre los perfiles y pilar y a la aplicación del máximo espesor de garganta admisible (70% del menor espesor de las piezas a unir).
CONCLUSIONES
Los criterios apuntados nos permiten por tanto la justificación de este tipo de uniones siempre que apliquemos un dimensionamiento con suficiente margen de seguridad.
Si desea un asesoramiento al respecto, puede ponerse en contacto RRG INGENIEROS a través de:
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