ES2344389A1

ES2344389A1 - Sistema para la conexion entre chapa de acero y hormigon.

Info

Publication number: ES2344389A1
Application number: ES200801846A
Authority: ES
Inventors: Miguel Ferrer Ballester; Federico Marimon Carvajal
Original assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Current assignee: Universitat Politecnica de Catalunya UPC
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2010-08-25
Anticipated expiration: 2028-06-16
Also published as: ES2344389B2; EP2305911A1; EP2305911B1; WO2010037876A1; PL2305911T3; PT2305911T; EP2305911A4

Abstract

Sistema para la conexión entre chapa de acero y hormigón. Las estructuras mixtas hormigón-chapa de acero, desarrollan habitualmente el fallo por separación o deslizamiento entre ambos materiales, por ejemplo, el fallo por deslizamiento longitudinal en las losas mixtas (forjados colaborantes). La presente invención consiste en una chapa de acero en la que se genera una serie repetida de pequeños y numerosos salientes abruptos producidos por rotura local de la propia chapa. Los salientes están orientados hacia el lado de la chapa que va a estar en contacto con el hormigón, de forma que, al verterse el hormigón sobre la chapa, dichos salientes quedan embebidos en él y resisten los esfuerzos rasantes habituales en las estructuras mixtas.

Description

Sistema para la conexión entre chapa de acero y hormigón.

Sector de la técnica

La invención se ubica en el sector de la construcción, en particular en la construcción de estructuras de hormigón y estructuras mixtas acero-hormigón.

Estado de la técnica

El fallo resistente de los elementos estructurales mixtos acero-hormigón, como son por ejemplo las losas mixtas, se produce generalmente por el deslizamiento o separación entre la chapa de acero y el hormigón. La dificultad de diseño de chapas para losas mixtas reside en asegurar su comportamiento efectivamente mixto; es decir, en diseñar sistemas de retención que consigan una elevada resistencia a la separación y deslizamiento relativo entre acero y hormigón.

Los actuales diseños de chapas, como por ejemplo el recogido en la patente WO09321405, o la FR2807081, entre muchas otras, incorporan un patrón de embuticiones que se repiten a lo largo de toda la longitud de la chapa. Su función es dificultar el deslizamiento longitudinal análogamente al corrugado de las barras para el armado del hormigón, aunque sus mecanismos resistentes son completamente distintos. En las losas mixtas, el efecto de cuña de las embuticiones transforma el deslizamiento entre chapa de acero y hormigón en esfuerzos perpendiculares a la chapa que provocan su flexión transversal, la separación y deslizamiento entre ambos materiales y, en la mayoría de casos, la desconexión total.

El ángulo de conformado que define los nervios de la losa, la posición de las embuticiones, su profundidad, longitud, etc., son algunos de los parámetros importantes de diseño, ya que de ellos depende la resistencia al deslizamiento. El proceso de diseño y optimización de esta geometría, y también la comprobación de su eficacia, se realiza actualmente de forma completamente empírica. También los métodos de cálculo adoptados por las normativas de todo el mundo para el cálculo de losas mixtas, están basados en parámetros experimentales, obtenidos del ensayo de modelos estándar reducidos. Estos ensayos intentan reproducir, con mayor o menor fidelidad, el fallo por deslizamiento entre acero y hormigón.

La tesis doctoral "Estudio Numérico y Experimental de la Interacción entre la Chapa de Acero y el Hormigón para la Mejora Resistente de las Losas Mixtas frente al Deslizamiento Longitudinal" elaborada por Miquel Ferrer Ballester y leída el día 8 de marzo de 2006 en la Universidad Politécnica de Cataluña (UPC) resume el estado del arte hasta la fecha y se enmarca en una línea de investigación destinada a mejorar la conexión entre el acero y el hormigón de los actuales sistemas e idear conceptos innovadores que puedan significar la conexión total sin deslizamiento.

Dentro de esa línea de investigación desarrollada en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de Barcelona (UPC), se ha desarrollado la presente invención, basada en generación de pequeñas y numerosas roturas en forma de corona en la chapa, destinadas a absorber el esfuerzo rasante longitudinal de forma aproximada a como lo haría el fenómeno de la fricción, que mejora substancialmente el problema de conexión entre la chapa de acero y el hormigón, tanto en el caso de las losas mixtas, como en otras aplicaciones.

Las patentes ES428827, US4106249, US4251970, DE2159959 y DE2325281 incorporan sistemas de retención basados también en la ruptura de la chapa, pero las roturas diseñadas presentan alguno o varios de los siguientes inconvenientes, a los que sí da solución conjunta la presente invención:

- dimensión considerable que concentra excesivamente el esfuerzo rasante a transmitir

- geometría de carácter cortante que rompe fácilmente el hormigón

- geometría con efecto cuña que tiende a separar hormigón y acero

- ausencia de resistencia a la separación entre ambos materiales

- geometría poco eficaz por ser demasiado flexible, o por facilitar el desgarro de la chapa

- asimetría de comportamiento dependiendo de la dirección y/o sentido del deslizamiento.

Descripción detallada de la invención

La presente invención se refiere a la conexión entre chapa de acero (fig. 1-1a, 4-4a, 5-5a, 6-6a, 6-6d, 7-7a, 7-7c) y hormigón (fig. 4-4b, 5-5b, 6-6b, 6-6c, 7-7b) mediante la generación de una serie de pequeños salientes abruptos en la chapa de acero producidos por la rotura local de la misma (fig. 1-1b), orientados hacia el lado de la chapa que vaya a estar en contacto con el hormigón (hacia ambos lados alternadamente si es necesario, fig. 3-3a, 3-3b, 6-6a) de tal manera que al verter el hormigón fresco, los salientes quedan embebidos en él (el sentido hacia donde se orientan los salientes se ha indicado con flechas en las figuras 3, 4 y 5).

Al fraguar el hormigón, estas pequeñas roturas embebidas en él tienen la función de resistir los esfuerzos rasantes o de separación que se generen entre ambos materiales cuando el elemento mixto acero-hormigón se somete a carga.

Las roturas tienen forma de pequeñas coronas de 3 (fig. 2-2a), 4 (fig. 2-2b) ó más puntas y pueden obtenerse mediante punzonado. El número de puntas y forma de la corona dependerá de la forma de la sección transversal del punzón (triangular, 3 puntas; cuadrado, 4 puntas; estrella; etc.).

Las dimensiones de la rotura generada (fig. 1-1d y fig. 1-1e) serán las resultantes del propio proceso de punzonado, que dependerán del espesor de la chapa y de las dimensiones y forma del punzón.

Los salientes abruptos causados por las roturas deben cumplir la función de distribuir los esfuerzos rasantes mediante un mecanismo parecido al de la fricción, esto sería, de forma continua; por lo que parte de la eficacia de la invención reside en que las roturas deben ser pequeñas, numerosas y uniformemente distribuidas para no concentrar excesivamente los esfuerzos rasantes en puntos concretos. Se evita así tanto la rotura local del hormigón como la deformación excesiva de los salientes de chapa propios de las roturas.

La eficacia de este sistema de conexión reside también, por otro lado, en que el punzonado debe ser completo. Es decir, el punzón debe atravesar completamente la chapa hasta que la rotura quede lo más abierta posible, puesto que roturas incompletas o de dimensión diametral muy pequeña (por ejemplo, inferior al espesor de la chapa), provocarían formas cónicas con el correspondiente efecto cuña que tendería a separar acero y hormigón al actuar el esfuerzo rasante, perdiéndose así la eficacia del sistema. El sistema así diseñado presenta, además, resistencia activa a la separación, puesto que los salientes de las coronas resultantes del punzonado llegan a abrirse lo suficiente como para superar la verticalidad.

Por otro lado, la eficacia del sistema disminuye a medida que aumenta la dimensión de las roturas (fig. 1-1d), ya que a mayor longitud de los salientes, mayor es su flexibilidad y facilidad de desgarro y, por tanto, menor la resistencia general del sistema.

Así, la dimensión diametral de la rotura (fig. 1-1e) debe ser lo más pequeña posible, para obtener la mayor rigidez posible de los salientes, y lo suficientemente grande como para obtener salientes verticales. Por ejemplo, se han mostrado eficaces roturas con punzón cuadrado de 4 mm de lado (4 \cdot \sqrt{2} mm de dimensión diametral) en chapa de 1 mm de espesor. Como referencia, se establece un valor no inferior al espesor de la chapa y no superior a 20 veces dicho espesor.

La separación entre centros de las coronas (fig. 1-1c) debe garantizar la continuidad de la chapa, y la densidad de distribución mínima necesaria (número mínimo de coronas por unidad de superficie) dependerá de la intensidad del esfuerzo rasante a trasmitir en cada aplicación particular.

La presente invención aporta una muy elevada eficacia en la transmisión de esfuerzos rasantes entre el acero y el hormigón dada la simultaneidad de las siguientes ventajas: transmisión muy distribuida de los esfuerzos rasantes, ausencia de elementos de geometría cortante que rompa fácilmente el hormigón, simetría de comportamiento en relación a la dirección y sentido del esfuerzo rasante, no se produce desgarro en la chapa, no se generan esfuerzos que separan acero y hormigón y presenta resistencia activa a dicha separación.

Listado de figuras

Figura 1. Ejemplo de salientes abruptos causados por punzonado de la chapa (caso de chapa plana y roturas en forma de corona de 4 puntas).

Figura 2. Tipologías de rotura en forma de corona de 3 y 4 puntas.

Figura 3. Salientes por roturas en sentidos alternos.

Figura 4. Aplicación a perfiles conformados para pilares o vigas mixtas.

Figura 5. Aplicación a chapas perfiladas para losas mixtas.

Figura 6. Dispositivo auxiliar para el hormigonado de losas mixtas en dos fases.

Figura 7. Dispositivo auxiliar para la conexión entre el perfil metálico y el hormigón en vigas mixtas.

Modos de utilización de la invención

La presente invención se ilustra adicionalmente mediante los siguientes ejemplos, los cuales no pretenden ser limitativos de su alcance.

Ejemplo 1

En el caso de perfiles tubulares conformados en frío (fig. 4), puede usarse la presente invención para garantizar la conexión del perfil metálico (fig. 4-4a) con el hormigón interior (fig. 4-4b) característico de un pilar mixto. Si el punzonado se produce hacia el interior del tubo, antes o después del proceso de conformado del perfil, al hormigonarse el interior del tubo, los salientes quedan embebidos en el hormigón fresco. Una vez fraguado el hormigón, garantizan la conexión eficaz entre ambos materiales y su funcionamiento mixto.

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Ejemplo 2

En el caso de las losas mixtas (forjados colaborantes, fig. 5), los salientes en la chapa (fig. 5-5a) se distribuyen en las zonas más apropiadas, preferentemente los flancos laterales de los nervios, y de manera lo más regular posible, para garantizar una conexión eficaz con el hormigón (fig. 5-5b). No se induce a la separación vertical entre ambos materiales al no presentar la chapa las típicas embuticiones de los forjados colaborantes, causantes del efecto cuña que los separa. Además, se mantendría notablemente la capacidad resistente a flexión de la chapa si no se perforan las bandas planas superior e inferior.

En el caso de que las aberturas asociadas a las roturas de la chapa sean suficientemente abiertas, debe recubrirse la superficie exterior mediante una capa sellante (pintura, impregnación, película plástica, vermiculita, etc.) que evite el goteo de hormigón fresco durante el hormigonado.

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Ejemplo 3

También se prevé la aplicación de la presente invención en la mejora de la adherencia entre distintas fases de hormigonado (fig. 6). El dispositivo consiste en una chapa plana, ondulada, o de cualquier otro perfil (fig. 6-6a), habiéndose practicado los salientes en sentidos alternos, es decir, hacia ambos lados (caras) de la chapa (ver fig. 3). Así, ubicando el dispositivo sobre la superficie libre de la primera fase de hormigonado, las coronas de rotura orientadas hacia él actúan de anclaje, y las orientadas hacia el exterior actuarán de anclajes sobre la siguiente fase del hormigonado, en el caso de dispositivos planos. En el caso de dispositivos nervados (fig. 6), una parte del dispositivo queda embebido en el hormigón de la primera fase de hormigonado (fig. 6-6b) y la otra parte queda al aire a la espera de quedar embebido en el hormigón de la siguiente fase (fig. 6-6c).

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Ejemplo 4

Los ejemplos 2 y 3 pueden combinarse para el diseño de un dispositivo auxiliar que sirva de conexión en el hormigonado de losas mixtas en dos fases, útil para reducir las cargas de la fase constructiva (fig. 6).

Para ello resulta interesante el diseño de un dispositivo constituido por una porción o banda de chapa no plana (ondulada, nervada, etc., fig. 6-6a) de manera que parte del dispositivo queda sumergido en el hormigón fresco de la primera fase (fig. 6-6b) apoyándose sobre los nervios de la chapa nervada de la losa mixta (fig. 6-6d), y la otra parte queda al aire, por encima de la superficie libre del primer hormigonado. Así, se evita el hundimiento total de la chapa en el hormigón fresco de la primera fase -que se daría probablemente si la chapa fuera plana- y se permite la existencia de tramos elevados que quedarán embebidos en el hormigón de la segunda fase del hormigonado (fig. 6-6c), garantizándose una conexión eficiente.

Claims

1. Sistema de conexión entre chapa de acero (fig. 1-1a) y hormigón, consistente en punzonar la chapa para generar series repetidas de pequeñas roturas (fig. 1-1b), cuyos salientes abruptos estén orientados hacia el lado de la chapa que vaya a estar contacto con el hormigón, de forma que queden embebidos en él después del hormigonado. Las roturas tienen forma de corona, en configuración de 3 (fig. 2-2a), 4 (fig. 2-2b) ó más puntas, dependiendo de la forma triangular, cuadrada o poligonal de la sección transversal del punzón, y su geometría y dimensiones son las propias del proceso de punzonado. La dimensión diametral mayor de las roturas (fig. 1-1e) comprendida entre 1 y 20 veces el grosor de la chapa.

2. Sistema de conexión descrito en la reivindicación 1, caracterizado en que los salientes se incorporan alternadamente hacia ambos lados de la chapa -siendo ésta plana, ondulada o de cualquier otro perfil- para anclarse al hormigón presente en ambos lados de la misma (fig. 3-3a y fig. 3-3b).

3. Uso del nuevo sistema de conexión para conectar el acero y el hormigón cuando estos materiales constituyen elementos estructurales mixtos en la construcción de edificios e infraestructuras.

4. Uso del sistema de conexión descrito en la reivindicación 3, donde la chapa de acero sufre un proceso de conformado para constituir un elemento estructural, por ejemplo, un perfil tubular cerrado, para su uso como pilar mixto o viga mixta, garantizándose la conexión eficaz entre el perfil metálico (fig. 4-4a) y el hormigón (fig. 4-4b).

5. Uso del sistema de conexión descrito en la reivindicación 3, donde la chapa de acero sufre un proceso de conformado para constituir una chapa perfilada para losas mixtas, sea cual sea la forma del perfil (por ejemplo el ilustrado en la figura 5), llamadas también forjados colaborantes, garantizándose la conexión eficaz entre la chapa perfilada (fig. 5-5a) y el hormigón de las mismas (fig. 5-5b).

6. Uso del sistema de conexión descrito en la reivindicación 3, en un dispositivo de chapa ondulada (fig. 6-6a), trapezoidal o de cualquier otro perfil no plano, destinado a anclar dos fases de hormigonado, de manera que la parte inferior del perfil del dispositivo queda embebida en hormigón de la primera fase (fig. 6-6b) y la parte superior queda descubierta a la espera del hormigón de la segunda fase, momento en el que quedará embebida en él (fig. 6-6c), por ejemplo, en el caso de losas mixtas hormigonadas en dos fases ilustrado en la figura 6.

7. Uso del nuevo sistema de conexión descrito en la reivindicación 3, para la conexión entre el perfil metálico (fig. 7-7a) y la masa de hormigón (fig. 7-7b) de una viga mixta embebida o descolgada (caso descolgada ilustrado en la figura 7) mediante punzonado directo del perfil metálico o mediante un dispositivo de chapa plana, ondulada, trapezoidal o de cualquier otro perfil (fig. 7-7c), adherida mediante soldadura u otros sistemas sobre la cara o las caras del perfil metálico que vayan a estar en contacto con el hormigón, de forma que los salientes incorporados a la chapa queden embebidos en él después del hormigonado.